Pluton widziany z New Horizons

Po raz pierwszy NASA wyraziła poważne zainteresowanie wysłaniem misji do Plutona w 1999 roku. Zaproszono wówczas zespoły naukowców z całego kraju, aby przedstawiły projekty aparatury, która miałaby się znaleźć na pokładzie statku kosmicznego Pluto Kuiper Express (PKE). We wrześniu 2000 roku szacowany koszt wysłania PKE okazał się tak wysoki, że jeszcze przed wyborem aparatury NASA zrezygnowała z misji.
Społeczność planetologów zaczęła wówczas krytykować anulowanie projektu i naciskała na NASA, aby ta zmieniła zdanie. Protestowało również społeczeństwo, wydzwaniając do NASA i wysyłając ponad 10000 listów. Dzięki temu w grudniu 2000 roku NASA ogłosiła konkurs na pomysły na nową misję do Plutona. Propozycje powinny spełniać cele przedstawione PKE, statek kosmiczny miał dotrzeć do planety przed 2020 rokiem, ale koszt zredukowany został prawie o połowę. Pięć różnych zespołów wysłało do NASA swoje szczegółowe projekty, każdy grubości książki telefonicznej. Projekt misji nazwanej New Horizons utworzony został przez zespół z Southwest Research Institute i Applied Physics Lab z Johns Hopkins University, Aby ograniczyć koszty, zaproponowano wysłanie nie dwóch, ale jednego statku; w przypadku pierwszego lotu do planety było to bardzo ryzykowne, niemal bezprecedensowe rozwiązanie. Zaproponowano także, by w trakcie 10-letniego lotu do Plutona wprowadzić sondę w stan hibernacji po to, by ograniczyć koszty personelu, oraz skoncentrowanie się na celach naukowych kosztem szybkości uzyskania danych. Pod koniec listopada 2001 roku NASA ogłosiła, że jej wybór padł na New Horizons.
Aby być gotowym na okno startowe w styczniu 2006 roku, zespół odpowiedzialny za sondę musiał ją zaprojektować, skonstruować i przetestować w ciągu zaledwie czterech lat i dwóch miesięcy. Poprzednim misjom NASA, takim jak Yoyagery, Galileo czy Cassini, zajmowało to od ośmiu do 12 lat. Poza tym nasz budżet wynosił tylko 20% budżetu Yoyagerów. W mniej niż trzy miesiące po selekcji dokonanej przez NASA administracja Busha zasugerowała całkowite anulowanie projektu New Horizons, usuwając go z ogłoszonego na początku 2002 roku budżetu federalnego. To posunięcie rozpoczęło długotrwałą, toczoną między Kongresem a Białym Domem walkę o fundusze. Zakończyła się ona dopiero latem 2002 roku, kiedy National Academy of Sciences uznała, że misja do Plutona ma najwyższy priorytet wśród badań naukowych najbliższej dekady. Przekonało to ustawodawców, że projekt wart jest kontynuowania. Kiedy już wydawało się, że wyszystko wyszło na prostą, nastąpiły wielomiesięczne przestoje w Los Alamos National Laboratory, które zagroziły, że zabraknie plutonu mającego stanowić paliwo jądrowego generatora energii elektrycznej.
Wielu naukowców z NASA i spoza agencji nie wierzyło, że zespołowi New Horizons uda się pokonać tak wiele trudności, Ci jednak pracowali dosłownie po nocach, w weekendy, przez 52 tygodnie w roku. Dzięki temu statek kosmiczny trafił na czas na wyrzutnię, gotów do lotu ku Plutonowi.

Fotografia 3. Sonda New Horizons.

Sonda New Horizons została wyposażona we wszystko, co było potrzebne w celu zebrania jak największej ilości informacji w trakcie jej krótkiego lotu do układu Plutona. Aparatura naukowa składa się z siedmiu urządzeń. Są to kamery: czarno-biała i kolorowa, dwa spektrometry rozszczepiające światło na poszczególne długości, mające za zadanie stworzyć mapę składu chemicznego powierzchni i atmosfery, a także detektor do badań pyłu uderzającego w statek kosmiczny. Na pokładzie znajdują się również dwa czujniki plazmy kosmicznej przeznaczone do pomiaru tempa ucieczki atmosfery Plutona i składu chemicznego wylatujących gazów, a także pakiet radiowy służący do pomiaru temperatury powierzchni oraz zmian temperatury i ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością.
Aparatura ta miała większy potencjał naukowy niż jakakolwiek wcześniejsza pierwsza misja do nowej planety - głównie dlatego, że wykorzystano technikę XXI wieku, zaś poprzednie sondy, takie jak bliźniacze Yoyagery, musiały opierać się na rozwiązaniach z lat 60. i 70. Dla przykładu, spektrometr do tworzenia map składu chemicznego umieszczony na Yoyagerze 1 miał tylko jeden piksel, podczas gdy spektrometr New Horizons 64000 pikseli. Dzięki wzrostowi możliwości oraz dużej pamięci statku kosmicznego, która może przechowywać ponad 100 razy więcej danych niż napędy taśmowe Yoyagera, sonda New Horizons jest znacznie bardziej efektywna niż poprzednie misje.
Chociaż przez większą część lotu statek kosmiczny był "uśpiony", zespół zajmował się wówczas planowaniem przelotu obok planety. Aby plany zostały zrealizowane, New Horizons po trwającym dziewięć i pół roku locie z Ziemi powinien dotrzeć do celu precyzyjnie w ciągu dziewięciominutowego okna czasowego. Powinien także przelecieć przez okno przestrzenne o rozmiarach zaledwie około 55 na 95 km. Taki cel może wydawać się duży, ale biorąc pod uwagę, że w okno to trzeba było trafić z odległości startowej równej pięciu miliardom kilometrów, przypominało to próbę wbicia golfowej piłki do dołka jednym uderzeniem z Los Angeles do Nowego Jorku.
Musiano także zaprojektować, przetestować i zaprogramować wszystkie działania, jakie New Horizons miał wykonywać w ciągu sześciomiesięcznych badań, które zaplanowano na okres od połowy stycznia do połowy lipca 2015 roku. Działania te to ponad 400 obserwacji Plutona i jego pięciu księżyców, prowadzonych za pomocą wszystkich siedmiu instrumentów naukowych; wypatrywanie odłamków, które mogłyby uszkodzić sondę; poszukiwanie nowych księżyców i pierścieni; triangulacja pozycji Plutona, potrzebna do trafienia w cel; włączanie silników statku, aby zapewnić precyzyjne przeprowadzenie przelotu; transmisja wszystkich danych zebranych podczas zbliżenia. Musiano zaplanować nie jedno, ale trzy podejścia do Plutona po różnych trajektoriach, gdyby się okazało, że sonda zbliża się do niebezpiecznych odłamków i trzeba zmienić trasę lotu. Potrzebowano także stworzyć inteligentne oprogramowanie komputerów statku, które byłoby w stanie poradzić sobie z ponad 150 możliwymi awariami sondy lub umieszczonej na niej aparatury, a także opracować procedury dla kontroli lotu, mające zastosowanie w przypadku dziesiątek defektów zbyt skomplikowanych dla oprogramowania pokładowego.

Fotografia 1. Pluton. Zdjęcie wykonane przez sondę New Horizons w dniu 14 lipca 2015 roku z odległości 35445 kilometrów.

Z powodu małego rozmiaru i odległej orbity, przed misją New Horizons Pluton był słabo poznany. Nawet Kosmiczny Teleskop Hubble'a mógł z trudem dostrzec tarczę planety. Wiedziano tylko, że ma ona średnicę około 2200 km, co najmniej pięć księżyców, rzadką atmosferę, czerwonawą powierzchnię, na której występują zlodowacone metan, azot i dwutlenek węgla, czapę biegunową i inne wielkie struktury powierzchniowe. Te fakty sugerowały, że Pluton jest zapewne globem bardziej interesującym i skomplikowanym niż większość lodowych obiektów z zewnętrznych obszarów Układu Słonecznego. Badania przeprowadzone przez New Horizons pokazały jednak, że planeta jest o wiele bardziej skomplikowana, a jej geologiczna różnorodność i aktywność znacznie większa, niż podejrzewali to naukowcy.
Jednym z odkryć było stwierdzenie, że wysokość atmosfery Plutona wynosi setki kilometrów. Występują w niej dziesiątki koncentrycznych warstw mgły, ale brak jest w niej chmur. New Horizons po raz pierwszy wyznaczył ciśnienie atmosferyczne na powierzchni Plutona; wynosi ono zaledwie 11 mikrobarów, czyli mniej więcej tyle, ile w górnej mezosferze Ziemi - jakieś 80 km nad powerzchnią Ziemi, u podnóża przestrzeni kosmicznej. Stwierdzono też, że atmosfera Plutona ucieka w tempie od 500 do 1000 razy wolniejszym, niż sądzono. Pod tym względem Pluton bardziej przypomina Marsa i Ziemię niż komety, co zakładały modele stworzone przed misją sondy. O dziwo, stwierdzono także, że mgły na Plutonie zabarwiają jego atmosferę na błękitno, dzięki czemu jego niebo jest podobne do ziemskiego.
Dzięki pomiarom przeprowadzonym przez New Horizons okazało się, że rozmiary Plutona są większe, niż wynikało to z większości wcześniejszych ocen, a jego prawdziwa średnica wynosi 2370 km. Z tego powodu jest on największą z planet karłowatych z Pasa Kuipera. Większy rozmiar w połączeniu z ustaloną wcześniej masą daje mniejszą gęstość. Oznacza to, że Pluton jest zbudowany głównie ze skał, a jego zewnętrzne warstwy to lód. Skały stanowią jednak tylko 66% jego masy, czyli mniej, niż wynosiły szacunki podawane przed misją (ponad 70%). Większość pozostałej (nieskalnej) masy stanowi lód wodny, zaś na samej powierzchni występują śladowe ilości bardziej egzotycznych lodów. Na podstawie przeprowadzonych przez misję pomiarów masy, rozmiarów i kształtu opracowano modele, z których wynika, że na Plutonie kilkaset kilometrów pod powierzchnią temperatura i ciśnienie są odpowiednie, by istniał tam ocean ciekłej wody.
Planetolodzy przez wiele lat zastanawiali się, czy Pluton ma zróżnicowaną topografię. Odpowiedź na to pytanie zależy od grubości górnej warstwy azotowego lodu. Ten rodzaj lodu, który pokrywa większą część powierzchni Plutona, jest słaby i nawet przy niewielkiej grawitacji tej planety łatwo załamuje się pod swym ciężarem, dlatego jego gruba warstwa przeciwdziałałaby powstawaniu wysokich formacji geologicznych. Jednakże na jednych z pierwszych fotografii o dużej rozdzielczości, wykonanych przez New Horizons, zobaczyliśmy góry o wysokości przekraczającej nawet cztery kilometry. Wynikałoby z tego, że znajdujący się na powierzchni Plutona lód azotowy może być tylko cienką okleiną pokrywającą zidentyfikowaną przez nas skorupę z lodu wodnego.
Dzięki New Horizons poznano również zadziwiającą różnorodność innych form geologicznych Plutona. Rozległe lodowce, ciągnące się przez setki kilometrów układy uskoków, pokryty chaotycznie górami teren, który powstał wskutek rozpadnięcia się gigantycznych bloków lodowych, czapy ze śniegu metanowego leżące na niektórych pasmach górskich, a także leżące na równinach wokół równika tysiące dziur o średnicach od jednego do 10 km, utworzone zapewne przez sublimujący lód azotowy.

Fotografia 2. Największy księżyc Plutona - Charon. Zdjęcie wykonane w 2015 roku przez sondę New Horizons. W lewym górnym rogu widoczne pierwsze zdjęcie Charona wykonane 40 lat wcześniej, w dniu 22 czerwca 1978 roku, przez Jamesa Christy’ego.

Największy lodowiec Plutona, zbudowany z lodu azotowego Sputnik Planitia (nazwany tak na cześć pierwszego sztucznego satelity), zajmuje obszar ponad 800000 km2, czyli więcej niż łącznie Teksas i Oklahoma. Podobnej formacji nie spotkaliśmy dotąd w całym Układzie Słonecznym. Co ciekawe, jest ona najwyraźniej żywa geologicznie, o czym świadczą występujące na niej lodowe strugi, a także ukształtowanie, które sugeruje istnienie leżącego pod nią źródła ciepła. Dostrzegliśmy również wyraźne oznaki, że lody Sputnika Planitia są ciągle uzupełniane przez lawiny spadające z wznoszących się nad nią pasm górskich.
To jednak nie koniec geologicznych niespodzianek Plutona. Zliczając występujące na terenie kratery, można ocenić moment jego ukształtowania (im młodsza powierzchnia, tym mniej czasu było na powstanie kraterów). Gdy wykonano tę czynność, okazało się, że na planecie istnieją obszary o bardzo różnym wieku: od bardzo starych, mocno poobijanych, liczących sobie ponad 4 mld lat, poprzez rejony o średnim wieku (od 100 min do miliarda lat), aż po sam Sputnik, na którym nie zidentyfikowaliśmy żadnych kraterów; jego wiek musi być niższy (być może bardzo) niż 30 min lat. Naukowcy nie spodziewali się takiego rozrzutu, gdyż sądzili, że z powodu stosunkowo małego rozmiaru Pluton powinien szybko ostygnąć i stracić możliwość rzeźbienia powierzchni. Okazało się, że ten powszechnie przyjmowany pogląd był błędny. Obecnie na Plutonie nadal zachodzą procesy geologiczne, chociaż na razie nie wiemy, co jest źródłem zasilającej je energii.
A to jeszcze nie wszystko. Geolodzy odkryli wieże z lodu metanowego, które wyrastają z Plutona na wysokość ponad 300 m i tworzą zorganizowany układ rozciągający się na przestrzeni setek kilometrów. A gdyby dla jednego globu było tego jeszcze mało, to istnieją tam także duże wulkany lodowe, mające zaledwie od 100 do 300 min lat, co sugeruje, że musiały być aktywne jeszcze w niedalekiej przeszłości.
Oszałamiająca różnorodność zjawisk występujących w atmosferze i na powierzchni Plutona rozłożyła społeczność naukową na łopatki. Okazuje się, że złożoność małych planet jest tak wielka, iż pod tym względem mogą one rywalizować z Ziemią i Marsem.

Badanie księżyców Plutona.
Podobnie, jak w przypadku samego Plutona, przed misją New Horizons niewiele wiedziano o jego pięciu księżycach. Charon, zdecydowanie największy z nich (o średnicy niemal dokładnie równej połowie średnicy Plutona), został odkryty w 1978 roku przez planetologów Jima Christy'ego i Roberta Harringtona, którzy korzystali z teleskopu naziemnego. Przed naszą wyprawą wiedziano tylko, że pokrywa go warstwa lodu wodnego, nie ma on znaczącej atmosfery, a jego powierzchnia jest znacznie mniej kolorowa i słabiej odbijająca światło niż powierzchnia Plutona. W latach 2005-2012 członkowie zespołu New Horizons odkryli za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a cztery mniejsze księżyce (Styx, Nix, Kerberos i Hydra). Przed dotarciem sondy do Plutona znano tylko ich parametry orbitalne i wiedziano, że, tak jak w przypadku Charona, ich barwa jest względnie neutralna. Nawet ich rozmiary były tylko zgrubnie oszacowane. Przez żaden teleskop nie udało się dostrzec ich tarcz - były to po prostu punkciki światła krążące wokół Plutona.

Fotografia 3. Księżyce Plutona.

Dzięki New Horizons udało się stworzyć szczegółowe mapy Charona, które pokazują jego geologię, barwy, skład chemiczny i topografię. Udało się zmierzyć ultrafioletowy współczynnik odbicia i precyzyjnie wyznaczyć kształt i rozmiar. Sonda nie przeleciała obok żadnego z czterech mniejszych księżyców tak blisko, jak obok Charona, tak więc z konieczności uzyskane o nich informacje były uboższe. Mimo to udało się określić ich rozmiary, okresy obrotu i kształty oraz opracować prymitywne, czarno-białe mapy ich powierzchni. Dla Nix i Hydry powstały nawet mapy kolorowe; dla tych księżyców oszacowano też skład chemiczny i wiek powierzchni.
Z pomiarów tych wyłonił się obraz Charona, którego szczegóły są porównywalne z wiedzą o księżycach lodowych wielkich planet, zebraną przez misje Yoyager, Galileo i Cassini. Charon nie ma żadnej atmosfery, a z jego powierzchni nie unoszą się substancje lotne, aczkolwiek odkryliśmy dziwne wypiętrzenia lodu amoniakalnego. Opierając się na zliczeniach kraterów, oceniliśmy, że jego powierzchnia ma ponad cztery miliardy lat i powstała mniej więcej w jednym czasie. Oznacza to, że silnik geologiczny księżyca działał krótko, zanim wyczerpała się jego energia. W tym krótkim okresie na Charonie powstały jednak rozlegle, pokryte lodem równiny z półkuli południowej, długi pas kanionów o głębokości sięgającej pięciokrotnej głębokości Wielkiego Kanionu, góry i czerwona północna "czapa polarna", która nie przypomina żadnej analogicznej struktury w Układzie Słonecznym. Wydaje się, że zbudowana jest ona z metanu i azotu, które uciekły z atmosfery Plutona i osiadły na zimnych biegunach Charona, gdzie promieniowanie ultrafioletowe dokonało przemiany chemicznej tych gazów na związki węglowodorowe. Pas kanionów powstał zapewne jako efekt gigantycznych naprężeń, jakie we wnętrzu Charona po jego uformowaniu wytworzyła zamarzająca i rozszerzająca się woda.

Fotografia 5. Księżyce Plutona - Nix i Hydra w zbliżeniu. Kolory Nix'a są wzmocnione. Obraz Hydry jest wykonany kamerą czarno-białą.

Stwierdzono, że cztery małe księżyce odbijają światło podobnie do Plutona, czyli z grubsza dwa razy silniej niż Charon. Przyczyna tego pozostaje zagadką, gdyż ich powierzchnie zapewne są pokryte tym samym materiałem co Charon. Wszystkie z nich są zbyt małe, by otaczała je atmosfera. Na każdym znajdują się kratery. W epoce, kiedy powstawały, wyrzucana z nich materia mogła przejściowo tworzyć pierścienie wokół Plutona; obecnie jednak takie pierścienie nie istnieją.
Z kształtu orbit Nixa i Hydry wynika, że powstały one w efekcie tego samego potężnego uderzenia, które dało początek Charonowi. Rozdzielczość naszych map jest wystarczająca, aby dostrzec na nich różnorodne kratery. Na podstawie datowania tych kraterów możną ocenić, że powierzchnie księżyców mają około czterech miliardów lat, czyli tyle samo, ile powierzchnia Charona. Wynik ten potwierdza przypuszczenie, że impakt nastąpił w bardzo wczesnej historii Układu Słonecznego i nie może tłumaczyć obecnej aktywności geologicznej Plutona. Dowiedzieliśmy się także, że okresy obrotu wszystkich czterech małych księżyców są krótsze niż ich okresy orbitalne. Jest to zdumiewająca obserwacja, która pokazuje, że żaden z nich nie osiągnął równowagi pływowej między ruchem orbitalnym a obrotowym, typowej dla księżyców wielkich planet. Coś - zapewne szarpnięcia przez grawitację układu podwójnego Pluton-Charon - musi mieć wpływ na ich rotację.
Wprawdzie New Horizons przekazał już wszystkie dane z przelotu przez układ Plutona, ale wiele informacji zostało przeanalizowanych dość pobieżnie. Naukowcy spodziewają się, że gdy zespół i inni planetolodzy rozpoczną wieloletnią pracę nad tym niesamowitym zestawem danych, czeka nas jeszcze dużo odkryć naukowych dotyczących powierzchni, wnętrza, pochodzenia i atmosfery Plutona oraz jego księżyców.

Pas Kuipera.
Chociaż badanie układu Plutona przez sondę New Horizons już się zakończyło, jej misja trwa nadal. W 2016 roku NASA zaakceptowała przedłużenie działania o kolejne pięć lat aż do połowy 2021 roku. W ciągu tego czasu New Horizons będzie badać Pas Kuipera - szeroki pierścień z planet karłowatych i mniejszych ciał, które krążą wokół Słońca daleko poza orbitą Neptuna. Punktem kulminacyjnym będzie zbliżenie do małego obiektu z Pasa Kuipera (Kuiper Belt Object; KBO) o nazwie 2014 MU69, które nastąpi 1 stycznia 2019 roku. Ta starodawna czerwonawa skała, przebywająca daleko od Słońca w głębokim mrozie kosmicznym przez ponad cztery miliardy lat, będzie najmniej naruszoną pozostałością po epoce powstawania Układu Słonecznego, jaką kiedykolwiek badano. Jej średnica to tylko jakieś 30 km, może mieć jednak własne księżyce. Prawdopodobnie jest ona typową cegiełką, z jakich powstały Pluton i inne większe KBO. New Horizons dotrze do 2014MU69, gdy obiekt ten będzie znajdował się w odległości od Słońca 44 razy większej niż Ziemia. Do badania składu chemicznego i geologii sonda wykorzysta wszystkie swe urządzenia. Poszukiwane będą ślady aktywności i atmosfery, księżyce i pierścienie, dokonany też będzie pomiar temperatury.
Oprócz bliskiego przelotu obok MU69, sonda w latach 2016-2021 zbada z niewielkiej odległości ponad 20 innych KBO. Te obserwacje pozwolą umieścić MU69 w szerszej perspektywie i odkrywać księżyce tych obiektów, badać powierzchnie i wyznaczać kształty. New Horizons będzie wyznaczać parametry środowiska kosmicznego w zewnętrznych częściach Pasa Kuipera - badać hel, wiatr słoneczny i naładowane cząstki znajdujące się w tym dalekim obszarze strefy wpływów Słońca. Będzie również śledzić gęstość pyłu w Pasie Kuipera aż do odległości 50 razy przekraczającej odległość Ziemia-Słońce, czyli nieco dalej niż najdalszy punkt eliptycznej orbity Plutona.
Naukowcy są nastawieni optymistycznie i wierzą, że NASA zgodzi się kontynuować misję New Horizons po 2021 roku. Statek nie ma uszkodzeń, a jego zapasy paliwa i energii wystarczą, aby komunikować się z Ziemią jeszcze w połowie lat 30., a może i dłużej. Misja będzie mogła zbadać o wiele więcej KBO, a nawet dokonać bliskiego przelotu koło jednego z nich.

Po burzliwym okresie przygotowań i długim locie przez Układ Słoneczny, sonda New Horizons zakończyła rozpoznawcze badania ostatniej z planet znanych u zarania ery kosmicznej i stała się pierwszą misją badającą małe ciała z Pasa Kuipera.
Pluton jest tak skomplikowany i tak dynamiczny, że wielu członków zespołu New Horizons, a także jeszcze więcej planetologów spoza tej grupy, chciałoby wysłać następną sondę, aby zbierała informacje o planecie i jej księżycach z orbity wokółplanetarnej. Pragnęlibyśmy także, aby zrealizowano kolejne, podobne do New Horizons misje rekonesansowe ku innym obiektom Pasa Kuipera, które dostarczyłyby danych o ich różnorodności, tak jak uczyniono to już w przypadku planet wewnętrznych i olbrzymich. Zesół New Horizons ma nadzieję, że oszałamiający sukces sondy nie jest końcem, ale początkiem badania planet i mniejszych ciał Pasa Kuipera.

Żródło:
Świat Nauki (Scientific American), 2018 nr 2