New Horizons

Leiðangur til Plútós og Kuipersbeltisins

Að margra mati er þetta eitt allra mikilvægasta verkefnið sem NASA hefur ráðist í á síðustu árum. Í Kuipersbeltinu er að finna leifar þess efnis sem reikistjörnurnar urðu til úr. Flestir hnettirnir á þessu afskekkta svæði eru milli 200 og 2000 km í þvermál og þar af leiðandi talsvert smærri en reikistjörnur innra og ytra sólkerfisins. Plútó er næst stærsti hnötturinn í þessu belti á eftir Eris og mun New Horizons án efa veita okkur ómetanlegar upplýsingar um þetta svæði.

Um borð í New Horizons er hluti af ösku stjörnufræðingsins Clyde Tombaugh sem fann Plútó árið 1930.

1. Skotgluggar

Fljótlegasta aðferðin til að ferðast til Plútós krefst flugs framhjá Júpíter en þyngdarkraftur hans getur aukið hraða geimfarsins og þeytt því lengra út í sólkerfið. Fyrir öll geimskot þarf lega reikistjarnanna að vera þannig að hægt sé að senda geimfarið beint á áfangastað á sem stystum tíma. Þetta tímabil kallast skotgluggi og stendur venjulega yfir í nokkra daga eða vikur og skamman tíma hvers dags. Verkfræðingar og leiðangursstjórar New Horizons höfðu um tvo skutglugga að velja.

Fyrri skotglugginn stóð frá 17. janúar til 14. febrúar 2006. Fyrstu 17 dagar þessa skotglugga þýddu flug framhjá Júpíter og að geimfarið kæmist á áfangastað á níu árum í stað allt að 14 ára. Á töflunni hér fyrir neðan sést hvernig mismunandi dagsetningar í fyrri skotglugganum hefðu áhrif á komutímann:

Dagsetning geimskots	Komuár
17. til 28. janúar	2015
29. til 31. janúar	2016
1. til 2. febrúar	2017
3. til 8. febrúar	2018
9. til 11. febrúar	2019
13. til 14. febrúar	2020

Geimskot fyrir 3. febrúar þýddi að geimfarið gat flogið framhjá Júpíter, en eftir 3. febrúar varð New Horizons að ferðast beina leið til Plútós. Eins og sjá má skipti nákvæm dagsetning verulegu máli ætti geimfarið að komast til Plútó á sem stystum tíma.

Seinni skotglugginn átti að standa frá 2. til 15. febrúar 2007. Geimskot á þessu tímabili hefði þýtt beint flug til Plútós og komutíma í kringum 2020.

2. Sagan á bakvið leiðangurinn

Segja má að saga New Horizons hefjist árið 1979 þegar Voyager-geimförin tvö höfðu þegar verið rúm tvö ár í geimnum. Vísindamenn stóðu þá frammi fyrir því að velja hvaða reikistjörnur heimsækja ætti á ferðalaginu. Voyager 1 gat hugsanlega farið til Plútós en hefði þá þurft að sleppa flugi framhjá Satúrnusi og risatunglinu Títan sem margir stjörnufræðingar voru spenntir fyrir. Voyager 2 hefði líka getað heimsótt Plútó en þá hefði þurft að fórna heimsóknunum til Úranusar og Neptúnusar. Að lokum sættust menn á að heimsækja Satúrnus, Úranus og Neptúnus en bíða með heimsókn til Plútós.

Flestir taka væntanlega undir í dag að ákvörðunin hafi verið skynsamleg. Á þessum tíma vissu menn mjög lítið um níundu reikistjörnuna annað en að hún er lítill íshnöttur á einkennilegri braut og hefur fylgihnött sem fannst árið áður (1978). Satúrnus, Úranus og Neptúnus eru risastórar og mjög heillandi hnettir, en jafnvel þótt Pioneer 10 og 11 hefðu þegar heimsótt Satúrnus, hafði enginn maður nokkru sinni rannsakað Úranus og Neptúnus svona ítarlega.

Eftir lok Voyager-leiðangrana hvöttu margir vísindamenn NASA til að ljúka fyrstu yfirlitskönnun jarðarbúa á reikistjörnunum og senda geimfar til Plútós. Snemma á tíunda áratug tuttugustu aldar kannaði NASA kostnað við Pluto Fast Flyby leiðangurinn sem samanstóð af tveimur litlum geimförum. Geimförin fyrirhuguðu voru aðeins 140 kg að þyngd; af því voru aðeins sjö kg af vísindatækjum og átti geimfarið að komast til Plútós á sjö árum. Fallið var frá þessum áformum árið 1995 þegar leiðangurinn var endurskipulagður og nefndur Pluto Express. Vegna aukins áhuga stjörnufræðinga á svæðinu við Plútó var heimsókn til Kuipersbeltisins bætt við markmið leiðangursins og hlaut þá nafnið Pluto Kuiper Express (PKE).

Árið 2000 hafði PKE-leiðangurinn þróast yfir í eitt geimfar sökum kostnaðar. Engu að síður virtist geimfarið hagkvæmt og skynsamlegur kostur og svo virtist sem NASA hefði tekið ákvörðun um að ráðast í verkefnið. Að lokum hafði kostnaðurinn rokið upp fyrir einn milljarð bandaríkjadala sem var of mikið og verkefnið slegið af.

Þessi ákvörðun NASA mætti í senn mikilli andstöðu vísindasamfélagsins og almennings. Margir fordæmdu ákvörðunina og kölluðu eftir leiðangri til Plútós. Þrýstingur frá almenningi og The Planetary Society varð til þess að sannfæra þingmenn Bandaríkjaþings um nauðsyn leiðangursins, sem leiddi að lokum til þess að NASA kallaði eftir hugmyndum um ferðalag til Plútós. Tvö verkefni stóðu upp úr, þ.e. POSSE (Pluto and Outer Solar System Explorer) og New Horizons.

Í nóvember árið 2000 valdi NASA New Horizons geimfarið til að heimsækja Plútó. Þetta geimfar er stærra og öflugra en Pluto Kuiper Express geimfarið átti að vera. Í því eru sjö vísindatæki í stað þriggja sem fyrirhuguð voru í PKE-geimfarinu.

New Horizons er fyrsti hluti New Frontiers áætlunarinnar svonefndu. Þessi áætlun felur í sér í nokkra meðalstóra leiðangra sem eru framarlega á forgangslista vísindamanna í könnun sólkerfisins. Leiðangurinn kostar 650 milljónir dala eða nærri 45 milljarða íslenskra króna.

3. Markmið

New Horizons geimfarið á að rannsaka Plútó, tunglin Karon, Nix, Hýdru, Styx og Kerberos og nálæga hnetti í Kuiperbeltinu. Markmið leiðangursins eru að:

• Kortleggja hitastig og efnasamsetningu Plútós og Karon - Plútó er lítill íshnöttur með fimm fylgitungl. Þessi staðreynd getur hjálpað okkur að skilja myndun og þróun okkar sólkerfis sem og annarra. 

• Greina jarðmyndanir á Plútó og Karon - Bestu myndir New Horizons af Plútó og Karon ættu að sýna fyrirbæri á yfirborðinu sem eru innan við einn kílómetri í þvermál. Til samanburðar hafa bestu myndir Hubblessjónaukans einungis 500 km upplausn. Bestu myndirnar verða teknar af völdum svæðum og ættu að sýna hluti á yfirborðinu sem aðeins eru 60 metrar í þvermál. Sum svæðin verða mynduð frá tveimur sjónarhornum svo unnt verður að útbúa þrívíddarkort. Eftir flugið framhjá Plútó verða sum svæði næturhliðarinnar kortlögð með hjálp hins daufa ljóss sem Karon endurvarpar á yfirborð Plútós. 

• Greina lofthjúp Plútós - Athugun á því hvernig lofthjúpur Plútós lekur út í geiminn getur aukið skilning okkar á því hvernig lofthjúpur jarðar þróaðist í fyrndinni. 

• Leita að lofthjúpi við Karon - Bestu myndir okkar af Karon hingað til benda ekki til þess að tunglið hafi neinn lofthjúp. New Horizons mun skera úr um það. 

• Leita að hringum og tunglum umhverfis Plútó - Plútó hefur fimm tungl, eitt stórt og fjögur lítil. Talið er að tunglin hafi myndast við árekstur hnattar úr Kuipersbeltinu við Plútó snemma í sögu sólkerfisins. Hugsanlegt er að umhverfis Plútó séu hringar eða jafnvel fleiri tungl. 

• Gera svipaðar rannsóknir á einu eða fleiri hnöttum Kuipersbeltisins - Plútó er meðal stærstu fyrirbæra Kuipersbeltisins. Rannsóknir á öðrum smærri hnöttum – líklega þeim sem finnast á meðan New Horizons ferðast til Plútó – mun hjálpa mönnum að ákvarða hvort Plútó og Karon séu hefðbundnir hnettir í Kuiperbeltinu.

4. Vísindatæki

Mælitækin í New Horizons. Mynd: NASA/JHUAPL/SRI/GSFC

Til að mæta markmiðum leiðangursins er New Horizons búið öflugum vísindatækjum. Þau eru:

• Ralph - Meginmyndavélakerfi New Horizons er kallað Ralph. Það á að útbúa kort af yfirborðum Plútós og Karons í hárri upplausn. Myndavélin hefur þriggja tommu breitt ljósop og tvær rásir. Önnur rásin nefnist MVIC (Multispectral Visible Imaging Camera) og tekur hún myndir í sýnilegu ljósi, rauðu, grænu og innrauðu ljósi. Hin rásin nefnist LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array) og tekur hún myndir í innrauðu ljósi. Þessi rás á að kortleggja dreifingu metans, niturs, koltvíoxíðs og vatnsíss á yfirborðum Plútós og Karons.

• Alice - Alice er útfjólublár litrófsmælir sem brýtur ljós niður í 1024 hluta. Þetta gerir vísindamönnum klefit að finna út úr hvaða efnum hnettirnir eru og hvort Karon hefur lofthjúp eða ekki. Tækið á þar að auki að fylgjast með sólinni eða öðrum björtum stjörnum færast bakvið lofthjúp Plútós og greina þannig efnasambönd lofthjúpsins. Sambærilegt tæki er um borð í Cassini-geimfarinu. 

• REX (Radio Science Experiment) - REX er nátengt samskiptakerfi New Horizons. Séu útvarpsmerki geimfara rakin nákvæmlega er hægt að vinna úr þeim mikilvægar upplýsingar um aðstæður í lofthjúpi reikistjarna, til dæmis hita og þrýsting, sem og massa reikistjarna og tungla. Þetta er einmitt markmið REX. 

• LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) - LORRI er myndavél sem á eftir að taka bestu myndirnar í leiðangrinum. LORRI er 8,2 tommu (20,8) sjónauki sem beinir sýnilegu ljósi á CCD-flögu og vinnur úr því myndir. Þremur mánuðum fyrir framhjáflugið tekur LORRI betri myndir af Plútó heldur en Hubblessjónaukinn hefur nokkru sinni tekið. Næst Plútó ætti LORRI að sjá smáatriði á yfirborðinu sem aðeins eru um 60 metrar í þvermál. 

• SWAP (Solar Wind Analyzer around Pluto) - SWAP á að greina hlaðnar agnir úr sólvindinum umhverfis Plútó. Þannig er hægt að ákvarða hversu hratt lofthjúpurinn á Plútó lekur út í geiminn. 

• PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Investigation) - PEPSSI er litrófsmælir. Hann á að leita að óhlöðnum atómum sem losna úr lofthjúpi Plútós og verða hlaðnar í kjölfarið vegna víxlverkunar við agnir sólvindsins. PEPSSI verður fyrsta mælitækið sem greinir lofthjúpinn á Plútó. 

• SDC (Student Dust Counter) - SDC mælir og telur stærðir rykagna sem rekast á New Horizons á ferðalaginu til Plútó. Um leið og til Plútó er komið á þetta tæki að rannsaka rykið umhverfis Plútó sem líklegast hefur myndast við árekstra loftsteina á Plútó og tunglin. Tækið var hannað, smíðað og verður starfrækt af nemendum við Coloradoháskóla.

5. Geimfarið

New Horizons er tiltölulega lítið geimfar. Í heildina vegur það 478 kg en þar af eru 77 kg af eldsneyti og 30 kg af vísindatækjum. Stærð þess er 0,7m x 2,1m x 2,7m sem er tiltölulega lítið miðað við nýjustu geimförin, sambærilegt við Stardust sem vó 380 kg.

Í geimfarinu er lítill kjarnaofn sem sér því fyrir hita og orku. Ekki er hægt að reiða sig á sólarorku því í þessari fjarlægð er sólin 1000 sinnum daufari en á jörðinni. Orkan myndast þegar plútón hrörnar og gefur frá sér varma og sér varmarafall sér til þess að koma orkunni til skila. Í kjarnaofninum eru 11 kg af plútóni sem veita 240 Wött af orku og 30 Volt við upphaf leiðangursins. Plútoníumið hrörnar og dregur úr orkuframleiðslunni um 3,5 Wött ár hvert. Í júlí 2015 myndast aðeins 200 Wött af orku og þar af krefjast vísindatækin 28 Watta til að starfa eðlilega.

6. Ferðalagið til Plútós

New Horizons skotið á loft með Atlas V eldflaug þann 19. janúar 2006. Mynd: NASA/JHUAPL/SRI/GSFC

Stjörnufræðingar hafa beðið lengi eftir leiðangri til Plútós og er það mönnum mikið í mun að komast á áfangastað eins fljótt og auðið er. Ástæðan er fyrst og fremst sú að frá árinu 1989 hefur Plútó smám saman verið að mjakast fjær sólu á braut sinni og kólnar því með hverju árinu sem líður. Kólnunin þýðir að lofthjúpurinn þynnist er hann frýs og fellur sem dögg á ísilagt yfirborðið. Til að sjá þykkan lofthjúp verður geimfarið að komast sem fyrst á staðinn.

Þessi staðreynd var höfð í huga þegar geimfarið var hannað og eldflaugin sem kom því á loft var valin. Atlas 5 eldflaugin er sú öflugasta sem NASA starfrækir og var fyrst notuð til að koma Mars Reconnaissance Orbiter áleiðis til rauðu reikistjörnunnar.

New Horizons geimfarið er tiltölulega lítið og létt, aðeins 478 kg, miklu minna og léttara en MRO. Eins öflug geimflaug og Atlas 5 getur þar af leiðandi komið svona litlu og léttu geimfari á geysimikla ferð.

Við geimskotið varð New Horizons geimfarið hraðfleygasta hluturinn sem NASA hefur sent út í geiminn hingað til. Farið þeyttist frá jörðinni á 58.338 km hraða á klukkustund eða tæplega 16 km hraða á sekúndu. Hraðinn er slíkur að einungis níu klukkustundum eftir geimskotið skaust geimfarið framhjá tunglinu, eða í kringum klukkan 04:00 að íslenskum tíma þann 20. janúar. Til samanburðar voru geimfarar um borð í Apollo-förunum milli þrjá og fjóra daga að ferðast sömu vegalengd. Á þessum hraða skar geimfarið braut Mars aðeins þremur mánuðum eftir að það fór á loft og nær Plútó að níu árum liðnum.

6.1 Flogið framhjá Júpíter

New Horizons við Júpíter og Íó. Ofan á Íó sést glitta í eldgos í Tvashtar eldfjallinu Mynd: NASA/JHUAPL/SRI/GSFC

Þann 28. febrúar árið 2007 heimsótti New Horizons fyrsta hnöttinn á ferðalagi sínu þegar farið flaug framhjá Júpíter. Framhjáflugið var nauðsynlegt til að hraða geimfarinu á leið sinni til Plútós svo ferðalagið verður níu ár í stað fjórtán ára.

Heimsóknin til Júpíters var að sama skapi frábært tækifæri til að læra meira um risareikistjörnuna en ekki síður til að prófa mælitæki geimfarsins. New Horizons flaug framhjá Júpíter í aðeins 2,27 milljón km fjarlægð, fjórum sinnum nær en Cassini þegar það flaug framhjá reikistjörnunni á leið til Satúrnusar, á 21 km hraða á sekúndu. Eftir þetta tekur við átta ára langt ferðalag um ytra sólkerfið.

Á þessum átta árum verður geimfarið sofandi mestan hluta tímans en vakir í 60 daga á ári vegna prófana og könnun á ástandi þess.

6.2 Flogið framhjá Plútó

Sex mánuðum áður en New Horizons flýgur framhjá Plútó verður geimfarið vakið og byrjar fyrst að kanna hnöttinn skipulega. Í fyrstu verða myndir af Plútó teknar með LORRI-myndavélinni en síðan með Ralph. Á sama tíma munu SWAP og PEPSSI hefja mælingar á lofthjúpi Plútós og SDC að fylgjast með árekstrum rykagna við geimfarið.

Þann 14. júlí 2015 flýgur New Horizons framhjá Plútó í innan við 10.000 km fjarlægð. Þessi tími var sérstaklega valinn því þá verður Plútó í gagnstöðu við sól séð frá jörðinni og einnig eru minnstar líkur á samskiptatruflunum af völdum sólvindsins. Samskiptin þurfa að ganga eðlilega fyrir sig vegna REX-tilraunarinnar. Útfjólublái litrófsmælirinn Alice á svo að rannsaka samsetningu og þéttleika lofthjúpsins með því að fylgjast með því hvernig sólarljósið breytist í mismunandi hæð í lofthjúpnum.

Þegar New Horizons flýgur milli Plútó og Karon eiga LORRI og Ralph að taka bestu myndirnar af hnettinum. Þá lýsir birtan frá Karon dauflega upp yfirborð Plútós. Þegar geimfarið flýgur loks út úr skugga Plútós verða gögnin send aftur til jarðar með 2,1 metra breiðu loftneti. Gagnaflutningurinn við Plútó verður aðeins 0,6 til 1,2 kílóbit á sekúndu og vegna þess mun það taka níu mánuði að senda öll gögnin til jarðar. Fjarlægðin er slík að það tekur eitt kílóbit meira en fjórar klukkustundir að ná til jarðar. Til samanburðar verður gagnaflutningurinn við Júpíter um 38 kílóbit á sekúndu.

Meginverkefni geimfarsins lýkur þar með og New Horizons siglir í átt til einhvers hnattar í Kuipersbeltinu. Það ferðalag gæti tekið mörg ár, en verður áreiðanlega biðarinnar virði.

Hin ástæðan er vísindaleg. Ef við stoppum og förum á braut um Plútó er ekki hægt að halda ferðinni áfram og kanna Kuipersbeltið.

6.3 Fyrsta myndin af Karoni

Plútó og Karon úr 880 milljón km fjarlægð. Mynd: NASA/JHUAPL/SRI/GSFC

Dagana 1. og 3. júlí 2013 tók New Horizons fyrstu myndirnar sínar af tunglinu Karon með LORRI myndavélinni. Geimfarið var þá í um 880 milljón km fjarlægð frá Plútó-kerfinu. Myndin var birt þann 10. júlí 2013.

Þótt myndin sé fremur óskýr og virðist ekki merkileg, markaði þetta þáttaskil í rúmlega 9 ára löngu ferðalagi New Horizons til Plútó og Kuipersbeltisins og markaði á vissan hátt upphaf rannsókna geimfarsins á kerfinu.

„Fyrir utan að vera gott tæknilegt afrek ættu þessar nýju myndir LORRI af Karoni og Plútó að innihalda áhugaverð vísindi líka,“ sagði Alan Stern sem hefur umsjón með rannsóknum New Horizons. Karon hefur aldrei sést áður frá þessu sjónarhorni.

„Við erum mjög spennt yfir fyrsta dílnum af Karoni en eftir tvö ár, þegar geimfarið flýgur framhjá kerfinu, munum við fá næstum milljón pixla af Karoni  — og verðum væntanlega milljón sinnum ánægðari líka!“

Tengt efni

• Plútó

• Karon

• Geimferðir

Heimildir

1. Vefsíða NASA/John Hopkins háskóla um New Horizons

2. Vefsíða The Planetary Society um New Horizons

3. Viðtal Planetary Radio við S. Alan Stern leiðangursstjóra New Horizons

4. Charon Revealed! New Horizons Spots Pluto's Largest Moon

Hvernig vitna skal í þessa grein

• Sævar Helgi Bragason (2010). New Horizons. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/solkerfid-large/geimferdir/new-horizons (sótt: DAGSETNING).