Sonda kosmiczna New Horizons: nasz piąty wysłannik w nieskończoność
Sonda New Horizons, wysłana, by dokładnie zbadać system Plutona, nie jest oczywiście pierwszą, która opuści nasz Układ Słoneczny na zawsze, by mknąć w nieskończoność. Już wcześniej – w latach 2012 i w 2018 – zrobiły to sondy Voyager 1 i Voyager 2, które są teraz najdalej w przestrzeni (odpowiednio 24 i 20 mld km). Wkrótce z naszego kosmicznego podwórka znikną także Pioneer 10 i 11 – dwie sondy NASA z początku lat 70. XX w. New Horizons jest jednak wyjątkowa.
To najbardziej zaawansowane urządzenie badawcze stworzone przez człowieka, które wciąż bada najdalsze obszary Układu Słonecznego, w odległości wielu miliardów kilometrów od nas. I będzie to robić na pewno jeszcze do końca tej dekady. Przelatuje teraz przez odległy Pas Kuipera, ogromny zbiór asteroid, komet i okruchów leżący za orbitą Neptuna, i czeka na wyznaczenie kolejnego celu badań. Odkryła naprawdę wiele i wciąż jest w doskonałej kondycji. Jej misja jest pod każdym względem udana.
Ziemia => Pluton
NASA wyniosła New Horizons w kosmos 19 stycznia 2006 r. przy użyciu rakiety Atlas V, z największą prędkością, z jaką do tamtej pory udało się wysłać cokolwiek w przestrzeń z Ziemi. New Horizons tuż po starcie osiągnęła ponad 16 km/s, czyli niemal 60 tys. km/h. Wkrótce miała zresztą przyspieszyć.
Sonda zaprojektowana i zbudowana przez Southwest Research Institute oraz Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory ma wielkość fortepianu i waży prawie pół tony. Kadłub jest wykonany z aluminium, kształtem przypomina graniastosłup. Wyposażono ją w siedem zaawansowanych instrumentów badawczych, m.in. spektrometr ultrafioletu, kamerę multispektralną rejestrującą obrazy w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni, radiowy miernik ciśnienia i temperatury, detektor cząstek wiatru słonecznego oraz radioizotopowe ogniwo termoelektryczne. Na pokładzie umieszczono także przedmioty symboliczne: płytę CD z listą nazwisk 435 tys. osób z całego świata, flagę amerykańską, kawałek kadłuba pierwszego prywatnego samolotu kosmicznego Space Ship One oraz aluminiowy pojemnik z prochami odkrywcy Plutona – Clyde’a Tombaugha.
Sondę skierowano na trajektorię ucieczkową z Układu Słonecznego, w stronę Plutona. Jego odległość od Ziemi to prawie 40 jednostek astronomicznych, czyli ok. 6 mld km. Był niegdyś najdalszą i najmniejszą planetą Układu, ale w sierpniu 2006 r. jego status się zmienił. Na początku XXI w. zaczęto odkrywać coraz więcej planetoid o rozmiarach zbliżonych lub porównywalnych z Plutonem – na przykład Eris. Dlatego astronomowie uznali, że nie może on dłużej być uważany za planetę. Dziś należy on do kategorii obiektów karłowatych, tzw. plutonków, które są transneptunami, obiektami leżącymi poza orbitą Neptuna, czyli niezwykle daleko – albo już w Pasie Kuipera, albo w jeszcze dalszym tzw. dysku rozproszonym.
W lipcu 2015 r., po dziewięciu latach lotu – głównie w stanie hibernacji – przebudzona sonda przeleciała obok Plutona, nie wchodząc na jego orbitę, w odległości nieco ponad 12 tys. km od jego powierzchni i w odległości 26 tys. km od jego największego księżyca, Charona. Zbadała wszystko, co dało się z tej odległości, wykonała też największe i najbardziej dokładne zdjęcia tego systemu.
Pluton => Pas Kuipera
Cała planeta karłowata Pluton składa się ze skał i lodu, głównie azotowego. Azot w warunkach ziemskich jest gazem, ale schłodzony do –195 st. C ulega skropleniu, a w temperaturze poniżej –210 stopni – zestaleniu. Na Plutonie jest wiele miejsc, w których widać, że płynny azot przebijał spod powierzchni i utworzył na niej liczne ślady w postaci dolin, wzniesień i uskoków. Powierzchnia transneptuna jest mocno zróżnicowana i spękana (co świadczy o bogatej przeszłości), pokryta ciemnymi i jasnymi obszarami oraz przeraźliwie zimna (210–235 stopni poniżej zera). Atmosfera metanowo-azotowa jest rozrzedzona, wysoka i cieplejsza od powierzchni.
Jednym z ważniejszych odkryć New Horizons było dokładne sfotografowanie i przeanalizowanie najbardziej rzucającej się w oczy jasnej i stosunkowo równej formacji na powierzchni Plutona nazwanej Tombaugh Regio (na cześć jego odkrywcy, astronoma amerykańskiego Clyde’a Tombaugha). Była dla obserwatorów Plutona widoczna już wcześniej – jako niezbyt wyraźna jasna plama. Z bliższej odległości widać, że ma kształt serca, takiego, jakie zwykle rysują dzieci. Szczególnie interesująca jest, widoczna na zdjęciach z New Horizons, lewa jego część – najjaśniejsza – o szerokości ok. 1000 km i nazwana Sputnik Planitia. Trwale pokrywa go skorupa lodowa. Badania przeprowadzone przez New Horizons dowodzą, że jest obszarem wyraźnej tzw. pozytywnej anomalii grawitacyjnej, co oznacza, że masy w tym miejscu jest wewnątrz Plutona istotnie więcej niż na obszarach sąsiednich.
Wiadomo już, jaka jest geneza powstania tajemniczego jasnego Sputnika Planitia. Po uderzeniu meteorytu na powierzchni Plutona powstała wielka eliptyczna dziura. To spowodowało, że w tym miejscu zaczęła wypływać woda, która wypiętrzyła lodową skorupę transneptuna, po czym zamarzła. Woda jednak wciąż pod powierzchnią Sputnika Planitia się znajduje. Pluton posiada bowiem podpowierzchniowy ocean wodny, który ma co najmniej szerokość 600 i głębokość 50 mil. Prawdopodobnie obejmuje całość jego wnętrza.
Jest to ocean z bardzo dużą zawartością amoniaku i mocno zasolony. Amoniak, jako istotna część składowa materii, został już wykryty na Charonie i innych, mniejszych księżycach Plutona, których jest aż pięć (a to dużo jak na obiekt o średnicy 2302 km). Ponieważ planety i ich księżyce mają zwykle podobny skład chemiczny, było oczywiste, że związek ten znajduje się także wewnątrz samego Plutona. Amoniak jest jednak substancją doskonale zapobiegającą zamarzaniu. Dodany w odpowiedniej ilości do wody powoduje, że nie zmienia ona stanu skupienia nawet w temperaturze –98 st. C. Amoniak oraz ciepło pochodzące z rozpadu radioaktywnego skał Plutona oraz sól powodują więc, że ocean nie zamarza, choć przypomina raczej gęsty syrop lub na wpół odtajały śnieg. To niezwykłe odkrycie.
Pas Kuipera => Arrokoth
Misja New Horizons nie zakończyła się po udanym zbadaniu systemu Plutona. Od samego początku zakładano, że poleci dalej, do Pasa Kuipera, w którym krążą setki tysięcy ciał o dość dużych, wielokilometrowych średnicach. I że któreś dokładniej zbada. Tak się stało.
Badacze z planem na tysiące lat
Voyagery wystrzelono w sierpniu i wrześniu 1977 r. Miały zbadać pobliże planet olbrzymich, czyli Jowisza i Saturna, i dalej – Układ Słoneczny. Voyager 1 jako pierwszy w historii, w maju 2012 r. opuścił Układ Słoneczny i przemierza przestrzeń Galaktyki. Obecnie znajduje się w odległości ok. 24 mld km od Ziemi. Voyager 2 zrobił to 6 lat później. Radioizotopowe ogniwa termoelektryczne pozwolą mu na utrzymywanie kontaktu z Ziemią jeszcze do 2025, a może nawet 2028 r. Potem oba Voyagery zamilkną na zawsze. Ale będą lecieć. Jak twierdzą badacze z NASA, prawdopodobnie po wsze czasy. Z pewnością przeżyją ludzkość. Odległości między gwiazdami w Galaktyce są tak ogromne, że prawdopodobieństwo zderzenia z jakimś ciałem lub przechwycenia przez jego pole grawitacyjne jest bliskie zeru. Za 300 lat Voyager 1 dotrze do Obłoku Oorta, wielkiej chmury komet i planetoid otaczającej Układ Słoneczny. Za 18 tys. lat oddali się od Ziemi na odległość roku świetlnego, a w roku 40 272 minie gwiazdę Gliese 445 w gwiazdozbiorze Żyrafy w odległości nieco ponad 1,5 roku świetlnego. Z kolei Voyager 2 w roku 40 176 minie też w odległości nieco ponad 1,5 roku świetlnego gwiazdę Ross 248 w gwiazdozbiorze Andromedy, a za ok. 294 tys. lat przeleci dość blisko – nieco ponad 4 lata świetlne – Syriusza, najjaśniejszej gwiazdy na naszym niebie.
Nowego celu badań zaczął dla niej szukać Kosmiczny Teleskop Hubble’a. I znalazł kilka obiektów, z których najlepszym okazała się planetoida 2014 MU69. W marcu 2018 r. zespół misji zadecydował, by nadać jej także nazwę popularną, bardziej przyjazną dla mediów, i zdecydował się na Ultima Thule. We wczesnym średniowieczu było to łacińskie określenie mitycznej krainy wyznaczającej północną granicę poznawalnego wówczas świata. Później obiekt zyskał ostateczną oficjalną nazwę. Za zgodą starszyzny indiańskiego plemienia Powatanów (zamieszkującego tereny dzisiejszej Wirginii) zespół misji zaproponował Arrokoth, co oznacza „niebo”.
Planetoida, która leży w średniej odległości 6,5 mld km od Słońca, została wybrana za cel New Horizons dlatego, że należy do kategorii tzw. zimnych klasycznych. Określenie to nie oznacza, że panuje na niej jakiś szczególny chłód. Wszystkie obiekty Pasa Kuipera są ekstremalnie mroźne, ponieważ ilość energii docierającej do nich ze Słońca jest śladowa. Ich temperatury są znacznie niższe od –200 st. C. W przypadku planetoidy Arrokoth termin „zimna” oznacza niemal idealnie kołową orbitę (a nie eliptyczną, jak na przykład ziemska) i niemal stałą odległość od Słońca. Ogromną, co decyduje o tym, że Arrokoth nie został istotnie zmieniony przez promieniowanie naszej największej gwiazdy i jest w bardzo dużym stopniu zbudowany z materii pierwotnej – tej, z której powstawał cały nasz Układ Słoneczny. Misja New Horizons dała więc wyjątkową okazję poznania chemii mgławicy słonecznej z początkowego okresu kształtowania się naszego kosmicznego sąsiedztwa.
Planetoida jest mała i blada. Chcąc ją zbadać, sonda New Horizons, musiała się do niej zbliżyć na odległość znacznie mniejszą, niż to było w przypadku Plutona. To z kolei spowodowało o wiele szybsze przemieszczanie się celu w polu widzenia kamer i innych urządzeń badawczych sondy, a zatem badanie i obserwacja musiały być bardzo szybkie. Sonda zmniejszyła swoją prędkość. 1 stycznia 2019 r. podleciała do Arrokoth na odległość zaledwie 3,5 tys. km. Nigdy w historii obiekt zbudowany i wysłany w kosmos przez człowieka nie dokonał podobnego wyczynu tak daleko od Ziemi. Sonda była wówczas oddalona o prawie 7 mld km.
Sama planetoida też okazała się dość niezwykła. Jest tzw. obiektem podwójnym kontaktowym, składającym się ze złączonych ze sobą brył o łącznej długości 31 km. Większa, zwana Weno, jest mocno spłaszczona i przypomina placek ciasta, druga, Weeyo, jest bardziej obła i podobna do nadgryzionego orzecha włoskiego. Pierwotnie były to dwa obiekty, które narastały osobno z tego samego źródła, z mgławicowej materii, z której powstał Układ Słoneczny, a po uformowaniu się krążyły na jednej orbicie. Ta, pod wpływem grawitacji obu ciał, coraz bardziej się zacieśniała, aż w końcu doszło do połączenia.
Prawdziwi pionierzy
Pioneer 10 został wystrzelony w 1972, Pioneer 11 rok później. Obie sondy miały przelecieć pas planetoid i zbliżyć się do Jowisza, a ta druga nawet do Saturna. Wykonały swoje zadania, więc skierowano je w dalszą podróż. Pioneer 10 był pierwszą sondą, którą już w trakcie misji skierowano na trajektorię ucieczkową z Układu Słonecznego. Lecą stosunkowo powoli, z prędkością ok. 12 km/s. Od dawna nie ma z nimi łączności: z Pioneerem 10 od 2003 r., z Pioneerem 11 od 1995 r. Pioneer 10 znajduje się w odległości 20 mld km od Ziemi, natomiast Pioneer 11 – blisko 17 mld, czyli już za Pasem Kuipera. Szacuje się, że Pioneer 10 będzie trzecią sondą (po Voyagerach), która opuści nasz Układ Słoneczny, zaś Pioneer 11 – czwartą. Pierwszy skieruje się w stronę konstelacji Byka i za ok. 2 mln lat zbliży się do gwiazdy Aldebaran. Pioneer 11 podąży w kierunku konstelacji Orła. Pierwszą gwiazdą, jaką napotka na swojej drodze, za ok. 4 mln lat, będzie lambda Aquilae.
Arrokoth => Nieskończoność
Po zbadaniu planetoidy Arrokoth sonda New Horizons poleciała dalej w głąb Pasa Kuipera. W 2022 r. NASA przedłużyła jej misję o dwa lata, ale trzeba było zdecydować, co konkretnie ma ona eksplorować. Kierownictwo agencji postanowiło istotnie zmienić cel badań – z typowo planetarnych przesunąć na heliosferyczne. New Horizons miała od 2024 r. zająć się właściwościami ogromnej bańki promieniowania i oddziaływań magnetycznych Słońca, która szczelnie izoluje cały nasz Układ Słoneczny od wiatrów i oddziaływań galaktycznych.
Początkowo przeciwny pomysłowi był Alan Stern, znany planetolog z NASA, szef New Horizons, który był zaangażowany w ponad 20 misji kosmicznych (w ośmiu był głównym badaczem). Uważał, że skoro sonda została zaprojektowana i wyposażona tak, by badać planety i planetoidy, tym właśnie powinna się zajmować. Udało się jednak doprowadzić do kompromisu: do końca lat 20. XXI w. New Horizons będzie realizować dwa cele badawcze jednocześnie – planetarny, jak do tej pory, i heliosferyczny. Pierwszy wymaga jednak znalezienia obiektu z Pasa Kuipera, do którego New Horizons mogłaby się zbliżyć, tak jak do planetoidy Arrokoth, i zbadać go. Do tej pory go niestety nie znaleziono, chociaż duże teleskopy naziemne – Subaru czy teleskop Kecka – próbowały. Musi to być obiekt niewymagający istotnych zmian w trajektorii lotu sondy. Sprawa pozostaje otwarta: duże teleskopy naziemne, i może też teleskop Hubble’a, będą szukać dalej.
Za kilkadziesiąt lat pożegnamy się z New Horizons, ale jej misja pozostanie zapamiętana jako rekordowa. Alan Stern tak podsumował ją w jednym z wywiadów. – To pierwsza w historii sonda wysłana na spotkanie z bardzo dalekim Plutonem. Pierwsza, która przemierzy cały Pas Kuipera. To także najszybszy obiekt wysłany kiedykolwiek przez człowieka w kosmos. A do tego jej kamera wykonała „najdalsze” zdjęcie w historii.
Chodzi o obraz uchwycony przez kamerę LORRI sondy, przedstawiający dobrze znaną otwartą gromadę gwiazd NGC 3532 leżącą w gwiazdozbiorze Kila, w odległości 1,6 tys. lat świetlnych od nas. Zdjęcie zostało wykonane 5 grudnia 2017 r., gdy New Horizons znajdowała się w odległości 6,12 mld km od Ziemi (prawie 41 jednostek astronomicznych). Istotnie, z takiej odległości nikt nigdy zdjęć nam nie przesyłał.