Em 19 de outubro de 2017, astrônomos da pesquisa Pann-STARRS observaram um objeto interestelar passando pelo nosso sistema – 1I/2017 U1 ‘Oumuamua. Esta foi a primeira vez que um ISO foi detectado, confirmando que tais objetos passam regularmente pelo sistema solar, como os astrónomos previram décadas antes. Apenas dois anos depois, um segundo objeto foi detectado, o cometa interestelar 2I/Borisov. Dada a natureza incomum de 'Oumuamua (ainda uma fonte de controvérsia) e as informações que as ISOs podem revelar sobre sistemas estelares distantes, os astrônomos estão ansiosos para observar mais de perto os futuros visitantes.



Por exemplo, foram feitas múltiplas propostas para naves interceptoras que poderiam alcançar futuros ISOs, estudá-los e até mesmo conduzir um retorno de amostras (como o Comet Interceptor da ESA). Em um novo artigo de uma equipe do Southwest Research Institute (SwRI), Alan Stern e seus colegas estudaram possíveis conceitos e recomendaram uma missão robótica de sobrevôo ISO especialmente construída, chamada Interstellar Object Explorer (IOE). Eles também demonstram como esta missão poderia ser realizada com um orçamento modesto com a tecnologia atual de voos espaciais.

O estudo foi conduzido por Alan Stern, investigador principal das missões New Horizons da NASA, e seus colegas do Southwest Research Institute (SwRI) em Boulder, Colorado. Isso incluiu a cientista principal Silvia Protopapa, o gerente Matthew Freeman, o pesquisador/diretor Joel Parker e o engenheiro de sistemas Mark Tapley. Eles se juntaram a Darryl Z. Seligman, associado de pesquisa da Cornell, e Caden Andersson, pesquisador da empresa Custom Microwave Inc. (CMI), sediada no Colorado. O artigo deles foi publicado em 5 de fevereiro de 2024, na revista Planetary and Space Science .

Objetos interestelares (ISOs) são abundantes

Desde que 'Oumuamua tocou pela primeira vez em nosso sistema, os cientistas atribuíram um alto valor aos ISOs, que representam material ejetado de outros sistemas solares. Ao obter amostras e estudá-las de perto, poderíamos aprender muito sobre a formação de outras estrelas e planetas sem realmente enviar missões para lá. Poderíamos também aprender muito sobre o meio interestelar (ISM) e como o material orgânico, e talvez até os blocos de construção da vida, estão distribuídos por toda a galáxia (também conhecida como Teoria da Panspermia). Como eles afirmam em seu artigo:

"ISOs representam os restos da formação de sistemas planetários em torno de outras estrelas. Como tal, o seu estudo oferece novos insights críticos sobre as características químicas e físicas dos discos dos quais se originaram. Além disso, uma análise abrangente de sua composição, geologia e a atividade lançará luz sobre os processos por trás da formação e evolução de planetesimais em outros sistemas solares.

"Encontros próximos com pequenos corpos no nosso sistema solar melhoraram enormemente a nossa compreensão destes objetos, contextualizaram as nossas observações terrestres e avançaram o nosso conhecimento dos modelos de formação de planetesimais. Da mesma forma, um sobrevôo próximo de um ISO promete ser igualmente transformador. É representa o próximo passo lógico na exploração da história inicial do nosso sistema solar e dos sistemas exoplanetários."

Além disso, estudos populacionais de ISOs indicaram que cerca de sete passam pelo nosso sistema solar todos os anos. Enquanto isso, outras pesquisas mostraram que alguns são capturados periodicamente e ainda estão aqui. Com a entrada em funcionamento dos instrumentos da próxima geração, os cientistas prevêem que haverá um aumento significativo na taxa de descobertas ISO no final da década de 2020 e na década de 2030. Isto inclui o Observatório Vera C. Rubin, atualmente em construção no Chile, que deverá reunir a sua primeira luz em janeiro de 2025.

Os investigadores prevêem que o observatório irá recolher dados sobre mais de 5 milhões de objetos do Cinturão de Asteroides, 300.000 troianos de Júpiter, 100.000 objetos próximos da Terra e mais de 40.000 objetos do Cinturão de Kuiper. Eles também estimam que detectará cerca de 15 objetos interestelares em sua primeira execução de 10 anos, conhecida como Legacy Survey of Space and Time – embora outras estimativas digam até 70 ISOs por ano. Para o seu estudo, Stern e seus colegas assumem que quaisquer ISOs dentro de uma distância de cerca de duas vezes a distância entre a Terra e o Sol (2 UA) seriam brilhantes o suficiente para serem detectáveis ​​pelo LSST.

Objetivos e instrumentos

Como Stern e os seus colegas explicam no seu artigo, a proposta do IOE teria dois objetivos científicos principais. Isso inclui determinar a “composição da ISO para fornecer insights sobre sua origem e evolução”. Conforme observado, esses estudos forneceriam informações valiosas sobre as condições iniciais do sistema solar hospedeiro da ISO. A este respeito, o IOE forneceria informações semelhantes às que a missão New Horizons revelou sobre o objeto Arrokoth do cinturão de Kuiper ou como a missão Rosetta da ESA detectou os blocos de construção da vida no cometa 67P/Churyumov – Gerasimenko.

Em segundo lugar, o IOE determinaria ou restringiria a “natureza, composição e fontes da atividade do coma ISO e determinaria os processos responsáveis ​​pela atividade observada”. Normalmente, a atividade do coma resulta da sublimação do gelo à medida que os objetos se aproximam de uma estrela, o que libera grãos de poeira e moléculas orgânicas refratárias do núcleo. Como observações anteriores mostraram, a atividade dos cometas depende do aquecimento solar e das características físicas do próprio cometa. Como Stern e colegas expressaram em seu artigo:

"Ao caracterizar a composição e distribuição espacial do coma de um ISO, o IOE pode determinar diretamente os componentes primários de seu ISO alvo, identificar os mecanismos por trás da atividade do coma e aprofundar nossos insights sobre a composição e os processos existentes em seu disco de formação protoplanetária, onde os planetesimais como se estivessem se formando… Além disso, comparar as propriedades físicas (ou seja, a composição química, distribuição de tamanho, tipo de mistura) de gelos e refratários na cabeleira com aqueles na superfície pode fornecer insights sobre possíveis processos que podem ter modificado as superfícies. "

Com base nestes objectivos científicos, Stern e os seus colegas listaram quais os instrumentos que a IOE necessitaria. Esses incluem:

• Um gerador de imagens pancromático de comprimento de onda visível com resolução angular de classe de segundo arco e alta faixa dinâmica
• Um gerador de imagens de comprimento de onda visível com três filtros (min) e um espectrômetro de imagem infravermelha que abrange a faixa de comprimento de onda de 1–2,5 um (possivelmente até 4 um) com um poder de resolução de pelo menos 100
• Um espectrômetro ultravioleta abrangendo a faixa de comprimento de onda de 700–1970 angstrom (Å) com uma resolução espectral igual ou superior a 20 Å
• Um gerador de imagens pancromático de comprimento de onda visível e espectrômetros de imagem UV e infravermelho

Perfil da missão

O próximo passo é o design da própria espaçonave, que é ditado pela natureza efêmera das ISOs. Como demonstraram 'Oumuamua e Borisov, a velocidade dos ISOs significa que é provável que permaneçam sem serem detectados até que estejam perto da borda interna do Cinturão Principal de Asteróides. Além disso, as suas trajetórias hiperbólicas significam que é provável que rodeiem o nosso Sol e se tornem inacessíveis pouco depois de serem detetados. Por último, há o posicionamento da própria missão de interceptação, que afeta diretamente a capacidade da espaçonave de se posicionar e atingir o alvo ISO.

Para o seu estudo, Stern e sua equipe selecionaram um local de “órbita de armazenamento” no Ponto Lagrange L1 Terra-Lua, localizado entre a Terra e a Lua. Esta localização tem várias vantagens, nomeadamente o facto de uma nave espacial posicionada necessitar de gerar muito pouco impulso para atingir a velocidade de escape – o que significa que a maior parte da sua aceleração disponível (delta-v) será colocada na direção da sua trajetória de interceção. Esta órbita de armazenamento também significa menos propelente e menos tempo necessário para iniciar, e permite uma rápida assistência gravitacional em um sobrevôo próximo à Terra.

Para o seu estudo, Stern e a sua equipa estabeleceram um limite de detectabilidade de 2 UA e simularam ISOs com uma velocidade média de 32,14 km/s (~20 mps) e uma aproximação solar mais próxima de 10 UA ou menos. Outras restrições que foram consideradas incluíram as posições da Terra e do ISO no momento de sua detecção, os parâmetros de órbita do ISO, a distância máxima que uma missão poderia interceptar um ISO (também conhecido como "raio heliocêntrico de interceptação") e a velocidade relativa. entre a espaçonave e a ISO. Para analisar esses dados de forma eficaz, a equipe gerou um algoritmo para otimizar a trajetória de interceptação e estabelecer um pequeno subconjunto de ISOs que poderiam ser interceptados de maneira viável.

Eles simularam todos esses cálculos durante um período de 10 anos e (usando missões anteriores como precedentes) derivaram vários parâmetros-chave. Conforme estabelecido, a missão precisaria ser capaz de uma aceleração (delta-v) de 3,0 km/s, estabelecer uma altitude mínima de sobrevoo de 400 km (~250 mi), interceptar o ISO dentro de 3 UAs do sol, e atingir uma velocidade de sobrevoo de 100 km/s (62 mps). Com esta "esfera de detectabilidade" estabelecida, eles descobriram que as chances de uma interceptação bem-sucedida aumentaram consideravelmente em velocidades mais altas - 3 a 3,9 km/s (1,86 a 2,4 mps) - e em distâncias próximas a 3 UA.

O estudo de ISOs é um campo florescente de pesquisa astronômica que abrange observatórios de próxima geração (como Vera Rubin) e propostas de missões de interceptação. Além do IOE, conceitos semelhantes foram propostos desde a detecção de 'Oumuamua e 2I/Borisov - incluindo o Projeto Lyra, uma proposta feita pelo Instituto de Estudos Interestelares (i4is). Embora essa missão possa levar anos para ser realizada, estudos detalhados como este ajudarão a informar a próxima fase de desenvolvimento – a concepção e teste dos próprios conceitos de missão.

Stern e os seus colegas reconhecem que são necessárias mais pesquisas antes que isso aconteça, mas enfatizam que o seu trabalho é um primeiro passo importante. “Será necessário um trabalho mais detalhado a seguir para preparar melhor o conceito de missão a ser proposto para uma futura oportunidade de missão da NASA”, escrevem eles, “mas este relatório fornece os objetivos básicos da missão, requisitos principais e atributos como ponto de partida”.

Mais informações: S. Alan Stern et al, Um estudo de uma missão de exploração de objetos interestelares (IOE), Ciência Planetária e Espacial (2024). DOI:10.1016/j.pss.2024.105850
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