Pluton objawia nam swoje oblicze - po prawie 10 latach lotu New Horizons mija ten tajemniczy glob

*Aktualizacja 25.07.2015: Odkrycia New Horizons - galeria zdjęć

Misja New Horizons, a właściwie jej część związana z lotem z Ziemi ku Plutonowi, rozpoczęła się w 2006 roku. Sonda mija go właśnie dziś, 14 lipca 2015 roku. To pierwszy raz kiedy ziemska sonda zbliżyła się do Plutona i pierwsze tak dokładne zdjęcia. O misji New Horizons wspominaliśmy już kilka razy, nie tylko ze względu na rangę wydarzenia, ale również z uwagi na technologiczne aspekty zastosowanej aparatury (w tym procesor Moongose V, podobny jak w pierwszej generacji konsoli PlayStation).

Zakładamy, że przelot miał już miejsce (dokładnie około 13:50), a także, że zbieranie danych podczas przelotu zakończyło się sukcesem - stąd czas przeszły w tekście. Jednak dopiero po godzinie 3 w nocy w środę (przerwa w komunikacji z Ziemią) dowiemy się, czy wszystko poszło tak jak planowano.

UAKTUALNIENIE 15.07.2015: Sonda pomyślnie zakończyła przelot w okolicy Plutona. Mknie dalej, a naukowcy rozpoczęli pobieranie pierwszy danych zebranych podczas wtorkowych obserwacji.

New Horizons to lot realizowany w starym stylu, podobnie jak misje Pioneer i Voyager. Oznacza to, że sonda wystartowała z Ziemi i od razu obrała kurs na Plutona. Oczywiście nie w linii prostej oraz z pomocą asysty grawitacyjnej (pomocnej dłoni jaką daje grawitacja Jowisza), ale bez dodatkowych orbit wokół Słońca i asyst ze strony Wenus i Ziemi. Tak było w przypadku misji Cassini (lot na Saturna trwał 7 lat, a jest on przecież dużo bliżej niż Pluton), a także misji Juno (5 lat lotu na Jowisza).

Sonda New Horizons, która zastąpiła anulowaną misję Pluto-Kuiper Express, w podróż wystartowała 19 lutego 2006 roku - 9,5 roku temu. Dla wielu osób, które pracują przy projekcie, to zadanie wypełniło większość ich kariery zawodowej. NASA z dumą podkreśla, że w misję zaangażowana jest bardzo duża liczba kobiet.

Dlaczego Pluton?

Pierwszy powód, bardziej medialny niż naukowy, to fakt, iż jest to jedyny jeszcze nieodwiedzony przez ziemski pojazd glob ze starej dziewiątki planet. Obecnie Pluton jest już tylko planetą karłowatą (choć nie wszyscy zgadzają się z taką klasyfikacją), lecz dla ludzkiej świadomości długo jeszcze pozostanie najważniejszą z tych planet.

Pluton znajduje się na krawędzi pasa Kuipera. To podobna do pasa planetoid (szary pierścień wewnątrz rysunku) struktura, ale o znacznie większych rozmiarach i charakterze. Ostatni niebieski okrąg to orbita Neptuna. Oprócz Plutona zaznaczono inne, największe znane nam ciała w pasie Kuipera.

Drugi powód, już typowo naukowy, to fakt, iż Pluton i jego mini system księżyców są przedstawicielami kategorii ciał niebieskich, które bardzo dużo mogą nam powiedzieć nie tylko o ewolucji Układu Słonecznego czy układu Ziemia - Księżyc, ale również jego zewnętrznych rubieżach.

Obserwacje pomogą dokładnie określić rozmiary Plutona i Charona (już są znane), określić skład atmosfery Plutona i ewentualnie odkryć taką wokół Charona, a także scharakteryzować własności powierzchni i otoczenia obu ciał.

Tak widać Plutona i jego księżyce z orbity wokół Ziemi - środek obrazu poprawiony cyfrowo, by wyeliminować blask Plutona i Charona.

New Horizons jest misją pod wieloma względami pierwszą - pierwszą do lodowej karłowatej planety, do obiektów pasa Kuipera (znajduje się poza orbitą Neptuna, a tworzą go głównie lodowe ciała), pierwszą od czasów Voyagera misją ku krańcom Układu Słonecznego, pierwszą misją planetarną z aparaturą (detektor pyłu), którą zbudowali studenci.

Obecnie New Horizons znajduje się w odległości około 4,8 miliarda kilometrów od Ziemi (32 razy dalej niż Słońce od Ziemi). Sygnał wysłany z Ziemi lub z sondy, znajdującej się w okolicach Plutona, dociera do odbiorcy po upływie około 4 i pół godziny.

Fotografowanie w mroku

Misja New Horizons to bardzo duże wyzwanie ze względu na odległość od Słońca. Nigdy jeszcze nie wykonywano zdjęć powierzchni ciała niebieskiego tak odległego. Około 5 miliardów kilometrów od Słońca jest już bardzo ciemno. Co prawda nie tak ciemno jak większości osób się wydaje. Na Plutonie w ciągu tamtejszego dnia panuje mrok, który przypomina bardzo bardzo pochmurny dzień na Ziemi.

Jest więc nieco światła, ale i tak aparatura, która znalazła się na pokładzie sondy, musi mieć najbardziej wyśrubowane parametry. Choć jest to technologia sprzed 10 i więcej lat, to wykorzystuje rozwiązania, które dopiero niedawno upowszechniły się na przykład w aparatach cyfrowych.

Montaż kamery LORRI

Dla laików najciekawsze są oczywiście obserwacje wykonane kamerami w świetle wizualnym. Przez cały czas obserwacji ważną rolę odgrywa LORRI (LOng Range Recoinassance Imager), kamera z teleskopem o wadze 8,8 kg i zapotrzebowaniu na moc 5,8 W. W momencie przelotu pomocny był również Ralph - jednym z jego elementów jest kamera obserwująca w świetle wizualnym i podczerwieni - waga 10,3 kg, a zapotrzebowanie na moc 6,3 W.

Rozdzielczość zdjęć w momencie największego zbliżenia sięgała 76 metrów na piksel w przypadku kamery LORRI i 260 metrów na piksel w przypadku kamery Ralph. To gigantyczny skok w porównaniu z rozdzielczością jaką daje teleskop Hubble - rzędu setek kilometrów na piksel przy pojedynczym zdjęciu.

Najlepsze zdjęcia Plutona wykonane przez teleskop Hubble, czyli z odległości prawie 5 miliardów kilometrów. Średnica kątowa Plutona widzianego z Ziemi jest 100 razy mniejsza niż w przypadku Marsa. Dlatego nawet po dodatkowym wyostrzeniu można jedynie domyślać się szczegółów na powierzchni.

LORRI to kamera o wąskim polu widzenia 0,29 x 0,29 stopnia i wysokiej rozdzielczości. Jest wykorzystywana nie tylko do obserwacji Plutona i jego księżyców, ale również poszukiwania innych obiektów w pasie Kuipera.

Typowy czas naświetlania wynosi poniżej 1/30 sekundy (nie może przekraczać 1/10 s, by obraz był ostry), ale dzięki zastosowaniu techniki binowania (grupy pikseli 4x4) można wydłużyć czas ekspozycji do 10 sekund bez uszczerbku na jakości obrazu. Tempo fotografowania wynosi do 1 kl/s.

LORRI dysponuje hiperbolicznym zwierciadłem o średnicy 20,8 centymetrów i ogniskowej 262 cm. Wykonano je z węgliku krzemu. Gwarantuje to sztywność i odporność na niekorzystne warunki w przestrzeni kosmicznej, a także maksymalnie uprościło ustawianie ostrości - brak jakichkolwiek ruchomych elementów (filtrów, przesłony).

Ewentualny brak ostrości, zwłaszcza w trakcie zbliżania i oddalania się od Plutona, jest kompensowany wyostrzaniem, które wykorzystuje technikę dekonwolucji. Również pozostałe elementy kamery wykonano ze stopu o dużej tolerancji na zmiany temperatur, wybrano INVAR 36 (stop niklu i żelaza).

Obraz rejestrowany jest przez układ CCD o rozdzielczości 1024 x 1024 pikseli, który został wykonany w technice BSI. Odczytywany obraz ma precyzję 12 bitów na piksel, a do zapisu służy pamięć stała. Po przesłaniu na Ziemię obrazy są odszumiane z pomocą danych kalibracyjnych, usuwane są także artefakty obrazu (ślady promieni kosmicznych, efekty typowe dla odczytu z CCD).

Biała okrągła osłona po lewej stronie kryje instrument Ralph

Ralph jest teleskopem o konstrukcji anastygmatu z 7,5 cm zwierciadłem. Zajmuje się obserwacjami w świetle widzialnym i podczerwieni, a także spektroskopią. Dysponuje siedmioma matrycami CCD, które umieszczono na pojedynczym podkładzie. Jedna z nich ma rozdzielczość 5000 x 128 pikseli i jest uczulona na szeroki zakres widmowy od 400 do 975 nm (światło widzialne i bliska podczerwień) - służy przede wszystkim do nawigacji. Sześć z nich ma rozdzielczość 5000 x 32 piksele. 

Tak duża liczba sensorów pozwoliła przypisać im oddzielne zadania obserwacji w różnych długościach fal. Zważywszy na fakt, iż przelot w pobliżu Plutona trwał bardzo krótko, szans na powtórki ujęć nie było wiele. Rozdzielczość matryc ma w tym przypadku także związek z techniką wykonywania zdjęć - poprzez skanowanie (przesuw sygnału w kolumnach jest zsynchronizowany z tempem ruchu matrycy), co pozwala uzyskać szerokie obrazy i dość długi czas naświetlania, do jednej minuty.

Maksymalna szerokość obrazu odpowiada polu widzenia 5,7 stopnia (około 11 tarcz Księżyca w pełni, ustawionych jedna obok drugiej).

New Horizons podczas instalacji aparatury naukowej i już podczas instalacji w członie Centaur, który umieszczono na rakiecie Atlas V-551

Instrumenty przeznaczone do wykonywania obrazów i spektroskopii stanowią większość masy aparatury naukowej, która waży łącznie 30 kilogramów i wymaga jedynie 28 W energii. Tej na szczęście nie brakuje, podobnie jak paliwa (zużyto na razie połowę początkowych 77 kilogramów hydrazyny).

Czasu na zdjęcia z bliska nie było wiele…

W trakcie przelotu New Horizons poruszał się z prędkością 14 kilometrów na sekundę (około 50 000 km/h). Największe zbliżenie do Plutona wyniosło 12 500 km, a do Charona około 29 000 km. Przelot w okolicy Plutona trwał  tylko kilka godzin.

Wejście na orbitę nie wchodziło w rachubę z prostego powodu - sonda potrzebowałaby dziesiątek ton paliwa, by zwolnić i pozwolić przechwycić się przez prawie 20 razy słabszą niż ziemska grawitację Plutona. Poza tym, choć Pluton jest głównym celem, to nie jedynym.

Dane czasowe dla przelotu New Horizons w pobliżu Plutona

Na zdjęcia w najwyższej rozdzielczości było zatem bardzo niewiele czasu. Każda z obserwacji została zaplanowana z dokładnością co do ułamka sekundy. Maksymalną rozdzielczość zdjęć Plutona, Charona i pozostałych księżyców uzyskano w praktyce tylko na kilku z nich.

Ponadto ze względu na 6,4 dniowy okres obiegu Plutona wokół własnej osi, w momencie największego zbliżenia nie wszystkie najciekawsze szczegóły powierzchni były widoczne. Na szczęście Plutona fotografowano już od wielu dni, dzięki czemu dysponujemy najdokładniejszą w historii fotograficzną, topograficzną i termiczną mapą jego powierzchni.

O tym jak oszczędna jest gospodarka przestrzenią dyskową i jak trudno wykonywać dużą liczbę zdjęć świadczy fakt, że w dniach od 7 do 16 lipca sonda zbierze około 5,5 GB danych obserwacyjnych. Dla fotografujących lustrzankami zabrzmi to nie jak około, ale jedynie, jednak dla naukowców to najcenniejsze 5,5 GB danych jakie kiedykolwiek zebrano na temat Plutona i jego towarzyszy.

Ponieważ druga szansa na odwiedziny Plutona nie nadarzy się szybko, aparaturę obserwacyjną skonstruowano tak, by była odporna na ewentualne awarie i uszkodzenia. Nie tylko zapewniono zapasowe układy elektroniczne, ale także niektóre z matryc CCD są nadmiarowe.

…za to ich przesłanie wymaga ogromnej cierpliwości

Największe zbliżenie do układa Pluton-Charon sonda osiągnęła 14 lipca około godziny 13:50. Jednak ze względu na odległość, ograniczoną prędkość transferu danych i przyjętą strategię braku komunikacji w trakcie mijania Plutona, trzeba będzie poczekać na pierwsze zdjęcia do środy 15 lipca. A to i tak tylko wstępne i ograniczonej rozdzielczości dane, które prezentują się jeszcze niezbyt okazale. Dopiero w późniejszym okresie przesłane będą wszystkie obrazy w maksymalnej rozdzielczości.

Konstrukcja sondy - główna antena nadawcza ma rozmiar porównywalny z całą sondą, która ważyła w momencie startu około 478 kilogramów. Moc zapewniana przez  termoelektryczny generator radioizotopowy wynosi 202 W. Wnętrze sondy osłonięto kilkunastoma warstwami kocy termicznych, tak by wewnątrz panowała temperatura od 10 do 30 stopni Celsjusza.

Pamięć sondy składa się z dwóch bloków o pojemności 8 GB każdy (jeden zapasowy). Szybkość wysyłania danych na Ziemię z okolic Plutona (a pamiętajmy, że z każdym dniem sonda jest coraz dalej i prędkość ta spada) wynosi jedynie 2kbps. Z taką prędkością komunikowały się komputerowe modemy w drugiej połowie lat 80. XX wieku.

Antena w kompleksie Goldstone, jednym z trzech, które wchodzą w skład Deep Space Network

Odebranie kompletu danych obserwacyjnych (zwłaszcza zdjęć) potrwa kilkanaście miesięcy. Sprawę (w tym uzyskanie maksymalnej prędkości transmisji) utrudnia niewielka szerokość wiązki (0,3 stopnia) nadawczej. Zmusza to do bardzo dokładnego wycelowania 2,1 metrowej anteny nadawczej w kierunku Ziemi, gdzie nasłuch prowadzi sieć Deep Space Network (kilkanaście anten o średnicy od 26 do 70 m w USA, Hiszpanii i Australii).

Co już wiemy i co zobaczyliśmy

Pierwsze zdjęcia zaczęły napływać już w styczniu. Stopniowo Pluton nabierał wyrazu, w kwietniu stał się wyraźniejszy niż na najlepszych zdjęciach z teleskopu Hubble’a. 8 lipca sonda z odległości 6 milionów kilometrów wykonała zdjęcie wskazujące jak diametralnie różne są Pluton i Charon. Wcześniej ten układ traktowano jako podwójny i spodziewano się podobnego wyglądu obu ciał.

Na zdjęciu sprzed 5 dni wykonanym z odległości 5,4 miliona kilometrów wyraźnie widać już szczegóły wskazujące na budowę geologiczną, w tym oryginalny sześciokątny krater.

W sobotę 11 lipca, z odległości 4 milionów kilometrów, dało się odróżnić już sporo szczegółów na powierzchni. Najciekawsze ciemne plamy znajdują się na tej części Plutona, która stale jest zwrócona w stronę Charona (okres wzajemnego obiegu obu ciał jest zsynchronizowany z okresem ich obrotu wokół własnej osi).

Z kolei w niedzielę Charon i Pluton wyglądały tak jak na poniższym zdjęciu. Z odległości 2,5 miliona kilometrów widać szczegóły na powierzchni Charona, a także rosnącą rozdzielczość zdjęć Plutona. Wreszcie po 85 latach od odkrycia poznaliśmy dokładne rozmiary obu ciał - Charon jest taki sam jak szacowano wcześniej - ma 1208 km średnicy. Z kolei Pluton jest nieco większy - jego średnica wynosi 2370 km. Ustalono również, że troposfera Plutona jest cieńsza niż się spodziewano. Określono rozmiary dwóch innych księżyców. Hydra ma 45 km średnicy, a Nix 35 km. Dwa pozostałe nadal wymykają się pomiarom.

Charon po lewej, Pluton po prawej

A teraz cały dzień oczekiwania

By obserwacje Plutona, Charona i innych księżyców były niczym niezakłócone (antena sondy nie może być zwrócona ku Ziemi i jednocześnie zbierać danych obserwacyjnych), naukowcy podjęli decyzję przerwania komunikacji z sondą. Cisza radiowa rozpoczęła się po godzinie 5 rano we wtorek 14 lipca. Potrwa do godziny 3 następnej nocy (15 lipca).

Najlepsze jak dotąd zdjęcie Plutona wykonane jeszcze 13 lipca z odległości 768 000 kilometrów.

Ilustracja składu powierzchniowego Plutona i Charona - kolory nie są prawdziwe, jedynie zwracają uwagę na różnorodność

Przez te prawie 22 godziny naukowcy czekali z niecierpliwością na sygnał, że wszystko poszło bez problemów - już wiemy, że sonda się ponownie zameldowała. I delektowali się, podobnie jak my, najlepszym jak dotąd zdjęciem Plutona, na którym jego tarcza ma średnicę już prawie 600 pikseli. Tekst będzie uaktualniany w miarę jak będą napływać pierwsze obrazy wykonane podczas największego zbliżenia.

Zapraszamy do galerii zdjęć na kolejnej stronie

Co potem?

New Horizons oddala się od Plutona i Charona, cały czas jednak wykonuje jego obserwacje tak jak przed 14 lipca choć zdjęć takich jak wcześniej nie uzyskamy gdyż Pluton zwrócony jest ku sondzie nocną stroną. Potem przyjdzie czas na wzmożoną komunikację z Ziemią, a po 2016 roku sonda na dobre zagłębi się w pasie Kuipera. Planowane są już obserwacje kilku kolejnych niewielkich ciał, ale jeszcze nie podjęto ostatecznej decyzji.

Sprawę utrudniają odległości jakie panują w pasie Kuipera, a także fakt, iż w każdej chwili może dojść do odkrycia ciekawszego obiektu niż te, które już znamy. Z dużym prawdopodobieństwem misja zostanie wydłużona i od roku 2017 rozpocznie się jej część rozszerzona. Być może najciekawsze jeszcze przed nami.

Źródło: NASA, inf. własna