Negatief resultaat Spitzer ruimtetelescoop levert nieuwe informatie op over interstellaire bezoeker ‘Oumuamua

English version below Dutch text

Met dank aan René Fransen, Science LinX

Een jaar geleden ontdekten sterrenkundigen voor het eerst een bezoeker van buiten ons zonnestelsel. Dit object, ‘Oumuamua, is bekeken met bijna alle beschikbare telescopen, inclusief de zeer gevoelige Spitzer infrarood ruimtetelescoop. Alleen, ondanks een observatietijd van maar liefst 33 uur bleek ‘Oumuamua te zwak om zichtbaar te zijn voor Spitzer. Toch konden sterrenkundigen hierdoor belangrijke conclusies trekken. Hun analyse van de bezoeker is op 14 november gepubliceerd door het Astronomical Journal. ‘Als andere interstellaire objecten er ook zo uitzien, is er iets mis met onze modellen van planeetvorming’, zegt RUG sterrenkundige Michael Mueller.

In oktober 2017 ontdekten sterrenkundigen een object dat leek op een asteroïde in een merkwaardige baan. Al snel stelden ze vast dat het object afkomstig was van buiten het zonnestelsel en inmiddels weer weg vloog van de zon. ‘De eerste waarneming is gedaan met de Pan-STARRS telescoop, die is gebouwd om asteroïden te vinden die in de buurt van de aarde komen’, legt Michael Mueller uit. Hij werkt aan het MIRI-instrument voor de James Webb Space Telescope bij SRON en het Kapteyn Instituut van de RUG, maar is ook betrokken bij onderzoek van asteroïden die in de buurt van de aarde komen.

Bezoeker

Het Amerikaanse congres heeft ruimtevaartorganisatie NASA opgedragen om dit soort asteroïden op te sporen, omdat ze het leven op aarde kunnen bedreigen – denk aan de asteroïde die vermoedelijk een einde maakte aan de dinosauriërs. ‘Het gevolg van die opdracht is dat we telescopen hebben die speuren naar nieuwe objecten aan de hemel’, zegt Mueller. ‘Dat leverde eerder al een paar objecten op die mogelijk van buiten het zonnestelsel kwamen, maar iedere keer bleek dat na extra metingen toch niet zo te zijn.’ Tot oktober 2017 dus, toen het object dat inmiddels ‘Oumuamua is gedoopt als eerste werd erkend als een bezoeker uit de interstellaire ruimte.

Dat zorgde bij astronomen voor race om zoveel mogelijk observaties te doen, voor het object te ver weg zou zijn. ‘De eerste resultaten lieten zien hoeveel licht het object reflecteerde. De lichtcurve toonde sterke variaties, wat betekent dat het object vermoedelijk langwerpig is en tuimelt.’ De verhouding tussen lengte en breedte is geschat op 6:1, ‘Oumuamua is vermoedelijk sigaarvormig, al is een pannenkoekvorm niet uitgesloten. Maar de grootte van het object was niet te meten in zichtbaar licht. ‘De resolutie was daarvoor niet voldoende.’

Beoordeling

Een gevoeliger manier om de grootte te meten is via thermische straling, de hoeveelheid opgenomen energie die ‘Oumuamua weer uitstraalt in het infraroodgebied. En zo werd Mueller bij het object betrokken, hij maakt deel uit van een team dat asteroïden bestudeerd met de Spitzer infrarood telescoop. ‘We hebben protocollen voor dit soort observaties. Gebaseerd op onze modellen van asteroïden en de informatie over de weerkaatsing van zichtbaar licht berekenden wij dat 33 uur observeren belangrijke informatie zou opleveren.’

Het team deed een aanvraag voor ‘Director’s Discretionary Time’, tijd die de wetenschappelijk directeur van de telescoop naar believen kan inzetten. Na een snelle maar zorgvuldige beoordeling kregen ze hun 33 uur. ‘En dat is heel veel tijd’, merkt Mueller op. ‘De meeste sterrenkundigen zijn al blij met een uur op deze telescoop.’

Geen spoor

In november 2017, een maand na de ontdekking van ‘Oumuamua, werd Spitzer dus 33 uur gericht op de plek waar het object zich moest bevinden. Maar toen de gegevens binnenkwamen bleek er geen spoor te zien van het object. ‘Dat is op zich al belangrijke informatie’, legt Mueller uit. Ze konden nu een bovengrens bepalen voor de hoeveelheid thermische straling die het object uitzendt. De eerst conclusie is dat het niet heel groot kan zijn, maximaal 140 meter lang. ‘Een groter object zou zoveel thermische energie uitstralen dat het zichtbaar was geweest.’

Een tweede conclusie is dat het object niet veel koolmonoxide of kooldioxide uitstoot, omdat deze gassen goed zichtbaar zijn in het infrarood dat Spitzer kan opvangen. Uitstoot van deze gassen verwacht je bij een komeet-achtig object, en het zou hebben verklaard waarom ‘Oumuamua versnelde toen het wegvloog uit het zonnestelsel: warmte van de zon zorgt voor uitstoot van gas, wat werkt als een straalmotor. ‘Optische observaties laten ook al geen uitstoot van stof zien, en stof komt vrij als er water verdampt. Dus het object lijkt niet op een komeet. Het kan een standaard steen zijn, misschien met een ruw oppervlak waardoor het relatief koud is.’ Fijn zand aan het oppervlak, zoals op de maan, werkt als een isolerende deken en zorgt voor een hogere temperatuur.

Herzien

Deze conclusies waren onverwacht. ‘Interstellaire objecten zijn uit hun eigen zonnestelsel weggevlogen. Dat is eenvoudiger voor komeet-achtige objecten, die zich vormen in de buitenste regionen van zo’n stelsel, waar juist veel vluchtige stoffen zijn’, zegt Mueller. Maar ‘Oumuamua lijkt een stenig object dat je zou verwachten in de binnenste regio van een zonnestelsel. Het is natuurlijk het eerste interstellaire object dat is onderzocht, dus het hoeft niet representatief te zijn. ‘Maar als andere interstellaire objecten er ook zo uitzien, is er iets mis met onze modellen van planeetvorming’, concludeert Mueller.

Hij verwacht dat we meer van dit soort interstellaire objecten gaan zien in de nabije toekomst. ‘Door de intensievere jacht op potentieel gevaarlijke asteroïden gaan we zeker meer van dit soort bezoekers van tussen de sterren zien.‘

Referentie: David E. Trilling et al: Spitzer Observations of Interstellar Object 1I/‘Oumuamua. Astronomical Journal, December 2018, DOI 10.3847/1538-3881/aae88f

http://iopscience.iop.org/(…)538-3881/aae88f/meta

When not seeing is believing

Negative result of Spitzer space telescope informative about interstellar visitor ‘Oumuamua

With kind permission from René Fransen Science LinX

A year ago, astronomers identified the first interstellar visitor to our solar system. ‘Oumuamua was studied by nearly all available telescopes, including the ultra-sensitive Spitzer infrared space telescope. Despite a whopping 33 hours of observing time, ‘Oumuamua proved too faint for Spitzer to see. Nevertheless, this allowed the observation team to draw significant conclusions. Their analysis of the visitor was published online on 14 November by The Astronomical Journal. ‘If other interstellar objects look like this, there is something wrong with our models of planetary formation’, says University of Groningen astronomer Michael Mueller.

In October 2017, astronomers detected an asteroid-like object with a peculiar orbit. After several checks, it was confirmed that the object originated from outside our solar system and was already on its way out. ‘The initial detection was made by the Pan-STARRS survey telescope, which is dedicated to finding asteroids which have an orbit that brings them close to the Earth’, explains Michael Mueller. He works on the MIRI instrument of the new James Webb Space Telescope at SRON, the Netherlands Institute for Space Research, and at the University of Groningen Kapteyn Institute for Astronomy, but is also involved in studies of ‘Near Earth Asteroids’.

Observation frenzy

The American Congress has given the space organization NASA the task of finding these asteroids, as they can pose a threat to life on Earth – as did the impact of the large asteroid that probably wiped out the dinosaurs. ‘As a result, we now have telescopes dedicated to finding new objects in the sky’, says Mueller. ‘Previously, there were a few objects that appeared to come from outside the solar system, but each time additional observations ruled this out’. That was until October 2017, when the object now known as ‘Oumuamua was the first to be confirmed as a visitor from interstellar space.

This sparked an observation frenzy among astronomers. ‘The first results told us how much light the object reflected. The light curve showed large variations, which meant that the object was probably elongated and tumbling’. The length-to-width ratio was estimated to be 6:1, making it cigar shaped, although a pancake shape is also possible. However, the size could not be determined from the visible light reflection. ‘The resolution was not good enough to measure it’, Mueller adds.

Spitzer

A better way to determine its size would be to measure thermal radiation, the amount of absorbed energy which ‘Oumuamua sends back into space at infrared frequencies. That is where Spitzer and Mueller came in. Mueller works regularly with the team that studies asteroids using this infrared space telescope. ‘We have observation protocols for this kind of work and, based on models of asteroids and the data on visible light reflection, we calculated that 33 hours of observation time should give us valuable information’.

The team applied for ‘Director’s Discretionary Time’ at Spitzer and after a rapid but thorough review, were given their 33 hours. ‘That is a lot’, remarks Mueller. ‘Most astronomers would be very happy with just one hour on this telescope’.

In November 2017, a month after the discovery of ‘Oumuamua, Spitzer was pointed towards the location of the object for a total of 33 hours. However, when the data were analysed, there was no sign of the object. ‘But we know that even this was significant’, explains Mueller. They could now set an upper limit for the amount of thermal radiation emitted by the object. The first conclusion was that it could not be very big, about 140 metres long at most. ‘For a larger object, the thermal radiation would have been visible’.

Planet formation

A second conclusion was that the object could not emit much carbon monoxide or carbon dioxide, as these gases are very visible in the infrared frequencies that Spitzer observes. Such emissions would be expected from a comet-like object, and would also explain why ‘Oumuamua was accelerating when it left the solar system: the emission of gas, induced by heat from the sun, would act as a propellant. Mueller adds that ‘Optical observations showed that it was not emitting much dust either, and dust comes off as water evaporates. So, it just did not look like a comet. It could be a standard rocky object, perhaps with a rough surface that would make it cooler’. Fine surface sand – like that found on the Moon – acts as an insulator and would have produced a warmer object.

This conclusion is unexpected. ‘Interstellar objects are ejected from their own star system. This is easier for comet-like objects that form in the outer regions, where there are lots of volatiles’, says Mueller. So, an interstellar visitor is likely to contain volatiles. However, ‘Oumuamua appeared to be a rocky object associated with the inner regions of a star system. Of course, it is the first interstellar object to be observed, so it might not be representative. ‘But if other interstellar objects look like this, there is something wrong with our models of planet formation’, Mueller concludes.
He has high hopes of observing more interstellar objects like ‘Oumuamua in the near future. ‘With increased monitoring for Near Earth Asteroids, we are bound to find more of these visitors from outside our own solar system’.

Reference: David E. Trilling et al: Spitzer Observations of Interstellar Object 1I/‘Oumuamua. Astronomical Journal, December 2018

See also NASA Learns More About Interstellar Visitor ‘Oumuamua