New Horizons

New Horizons on NASAn 19. tammikuuta 2006 matkansa aloittanut avaruusluotain, joka lähetettiin tutkimaan kääpiöplaneetta Plutoa ja sen kuita. Se on ensimmäinen NASAn New Frontiers -tutkimusohjelman luotain. Luotaimen tehtävänä oli analysoida kääpiöplaneetan kaasukehää ja sen toimintaa sekä kuvata Pluton pintaa. Plutoa ei ollut koskaan aikaisemmin tutkittu avaruusluotaimilla. Luotaimen laukaisun aikaan Pluto oli vielä luokiteltu planeetaksi.

Luotain laukaistiin Atlas V -kantoraketilla Cape Canaveral Air Force Stationin laukaisukompleksi numero 41:ltä 19. tammikuuta 2006.

New Horizons saavutti Pluton kuineen 14. heinäkuuta 2015. Ohilennon jälkeen luotain jatkoi matkaansa Kuiperin vyöhykkeellä. 1. tammikuuta 2019 se teki 486958 Arrokothin ohilennon, mikä tapahtuessaan on etäisin luotaimen ohilento Maasta katsottuna.

Rakenne 

Pluto sijaitsee yli 33 AU:n etäisyydellä, joten sen saavuttaminen on teknisesti vaativa tehtävä. Jotta kantoraketti saisi kiihdytettyä luotaimen riittävään nopeuteen, luotaimen massan ehdoton yläraja oli vain 450 kg, mistä korkeintaan 50 kg oli tieteellisten laitteiden käytettävissä. Lopullisessa kokoonpanossa mittalaitteiden yhteenlaskettu massa on noin 30 kg ja yhteenlaskettu tehonkulutus alle 30 wattia. Luotaimen asennonsäätely tapahtuu 3-akselisen pyörimisliikkeen kautta, mutta liikesuunnan muutokset tapahtuvat kuudentoista pienen hydratsiini-käyttöisen rakettimoottorin avulla. Moottoreista neljää käytetään kurssimuutoksiin ja ne tuottavat 4,4 N työntövoiman. Loput on tarkoitettu asennonkorjaukseen ja ne tuottavat 0,8 N voiman kukin. Polttoainetta luotaimella oli laukaisuhetkellä 77 kg verran.

Pluton etäisyydellä auringonvaloa on jäljellä noin 1/1000 siitä mitä Maassa, eikä se siksi riitä energianlähteeksi. Luotaimen voimanlähteenä toimii radioisotooppinen termosähkögeneraattori, joka sisältää 11 kg plutoniumia ja tuottaa 180 watin tehon. Tästäkin tehosta vain 12 W on kaikkien tieteellisten mittalaitteiden saatavilla yhtäaikaisesti. Käytännössä koko luotaimen runko on suljettu termospulloa muistuttavaan säiliöön, jotta laitteet säilyttäisivät toimintakykynsä Pluton etäisyydellä vallitsevassa muutaman kelvinin lämpötilassa. Elektroniikan tuottaman lämmön ansiosta luotaimen sisällä vallitsee noin 10–30 °C:n lämpötila.

Viestintä Maahan tapahtuu 0,3- ja 2,1-metristen antennien avulla. Näiden tiedonsiirtonopeus on noin 700 bps. Luotaimen toimintojen ylläpidosta vastaa 12 MHz Mongoose V -prosessori ja tiedontallennuskapasitteettia luotaimella on 8 GB sekä samankokoinen varmistusasema.

Avaruusluotaimen tutkimuslaitteet
REX (Radio Science Experiment): radiometri, jolla tutkitaan kaasukehän koostumusta ja lämpötilaa
PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation): hiukkasspektrometri, jolla tutkitaan kaasukehästä avaruuteen karkaavan plasman koostumusta ja tiheyttä
SWAP (Solar Wind Around Pluto): toinen hiukkasspektrometri, jolla tutkitaan kaasukehän hävikkiä ja aurinkotuulen koostumusta
LORRI (Long Range Reconnaissance Imager): optinen teleskooppikamera, joka ottaa suuriresoluutioisia kuvia
Alice: UV-spektrometri, jolla analysoidaan Pluton kaasukehän koostumusta ja etsitään kaasukehiä Pluton seuralaisten pinnoilta
Ralph: optisen ja infrapunavalon spektrometri ja kamera, jolla tutkitaan pinnan muotoja, koostumusta ja lämpötilaa
SDC (Student Dust Counter): pölylaskuri, joka mittaa avaruusluotaimeen iskeytyvää avaruuspölyn määrää alusta alkaen

Lento 

Alun perin New Horizons oli tarkoitus lähettää avaruuteen 11. tammikuuta 2006, mutta testien jälkeen laukaisua siirrettiin vikaepäilyjen takia. Ensimmäinen laukaisuyritys oli 17. tammikuuta 2006, mutta laukaisua jouduttiin siirtämään voimakkaiden tuulenpuuskien ja teknisten ongelmien takia. Seuraavan päivän laukaisu peruttiin valvontaverkoston sähkökatkojen takia. Lopulta luotainta kuljettanut Atlas V -kantoraketti laukaistiin Cape Canaveral Air Force Stationin laukaisukompleksi numero 41:ltä 19. tammikuuta 2006.

New Horizons on kaikkien aikojen nopein Maasta lähtenyt luotain. Se ohitti Kuun kiertoradan jo yhdeksän tunnin kuluttua laukaisusta ja Marsin kiertoradan 8. huhtikuuta 2006. Luotain ohitti ja kuvasi asteroidi 132524 APL:n noin 100 000 km:n etäisyydeltä huhtikuussa 2006, ja saavutti Jupiterin helmikuussa 2007. Seuraavaksi se ohitti Saturnuksen kiertoradan kesäkuussa 2008. Maaliskuussa 2010 luotain ohitti lähietäisyydeltä kentauri 83982 Crantorin. Uranuksen kiertoradan New Horizons ohitti maaliskuussa 2011 ja Neptunuksen radan elokuussa 2014. Luotain saavutti pääkohteensa Pluton heinäkuun 14. päivä 2015 kello 11:49:57 UTC.

Vaikka New Horizons onkin nopein maasta lähetetty alus (13,78 km/s, 49 600 km/h Pluton kohdalla), nopein luotain on Voyager 1 (3,6 AU/a, noin 17,2 km/s), sillä se sai lisävauhtia Jupiterin ja Saturnuksen ohilennoista.

Jupiterin ohilento 
New Horizons ohitti Jupiterin 28. helmikuuta 2007 5:43:40 UTC. Luotain otti Jupiterin painovoimakentästä lisävauhtia matkalleen kohti Plutoa. Ohilennon aikana luotaimen mittalaitteita kalibroitiin tutkimalla Jupiterin sisimpiä kuita, kuten Amaltheaa. Luotain myös kuvasi Galilein kuita, erityisesti tuliperäistä Ioa.

Jupiterin järjestelmän kuvaamisen luotain aloitti 28. syyskuuta 2006. Jupiterin ohilennon jälkeen luotainta pidettiin vuosina 2007–2014 horroksessa ja se käynnistettiin vain muutamia kertoja vuodessa tutkimuslaitteiden testausta ja säätämistä varten. Joulukuussa 2014 luotain herätettiin lopulta kokonaan horroksesta noin 200 päivää ennen Pluton kohtaamista.

Pluton ohilento 
Pluton kohdalle luotain saapui 14. heinäkuuta 2015. Saavuttuaan perille luotaimen vauhtia ei hiljennetä kiertoradalle pääsyä varten, sillä polttoaine ei riitä hiljentämiseen. Luotaimella onkin aikaa tutkia Plutoa ja sen kuita vain joitakin tunteja kestävän ohilennon ajan. Lentoa suunnitellessa tunnettiin Pluton kuista vain 1978 löydetty Kharon. Plutolta löydettiin 2005 kaksi muuta kiertolaista, Hydra ja Nix. Vuonna 2011 Plutolta havaittiin pieni kiertolainen, Kerberos ja vuonna 2012 vielä tätäkin pienempi Styx. Mahdollisesti näistäkin saadaan ohilennolla lisätietoja. Uusien pienien kuiden löytyminen aiheutti huolen, että Plutoa kiertäisi suuri joukko pieniä kuita tai muita kappaleita, jotka olisivat voineet vaurioittaa luotainta sen ohittaessa Pluton suurella vauhdilla.

Varsinaisten medialevitykseen tarkoitettujen kuvien lisäksi NASA julkaisi LORRI-kameran ottamat kuvat käsittelemättöminä JPG-muodossa Internetissä, pääsääntöisesti 48 tunnin kuluessa siitä kun kukin kuva on saapunut Maahan. Kuvamateriaaleja julkaistaan myös Planetary Data System -palvelussa 9–12 kuukautta niiden saapumisen jälkeen. Kaiken tallennetun datan (8 gigatavua) saapuminen maahan kestää 16 kuukautta.

Kuiperin vyöhyke ja Arrokothin ohilento 
Pluton ohilennon jälkeen se jatkoi matkaansa kohti muuta Kuiperin vyöhykettä. Vuosina 2016–2020 luotaimen on määrä tutkia muita Kuiperin vyöhykkeen kohteita. Hubble-teleskoopila tunnistettiin kolme mahdollista kohdetta ohilennolle; sen oletetaan kohtaavan toiminta-aikanaan useita vielä tuntemattomia kohteita.

Vuodesta 2004 vuoteen 2014 kestäneiden kartoitusten seurauksena havaittiin muutamia luotaimen radan läheisyyteen sijoittuvia transneptunisia kohteita. Radan muuttamiseen niin, että New Horizons ohittaisi näistä useamman kuin yhden, ei riitä polttoainetta. Jos jokin näistä kohteita halutaan tutkia lähemmin, luotaimen radan suuntaus on aloitettava marras-joulukuussa 2015. Mahdollinen kohde ohitettaisiin loppuvuodesta 2018 tai vuoden 2019 aikana.

Valitun kohteen, Arrokoth (väliaikainen tunnus:  ja lempinimi "Ultima Thule"), ohilento tapahtui 1. tammikuuta 2019. Ohilento on tapahtumahetkellään etäisin luotaimen läheltä tutkima kappale Maasta katsoen. Lähimmillään luotain kävi 3500 kilometrin päässä ja ohitusnopeus oli 14.3 km/s. Aurinkoon etäisyyttä oli 43,4 AU ja Maahan 6 valotuntia.

Havainnot Plutosta ja sen kuista 

Heinäkuussa 2014 LORRI-kameralla otetussa kuvasarjassa voitiin jo havaita Pluton pienistä kuista Hydra. Kussakin kuvassa käytettiin tuolloin 10 sekunnin valotusaikaa ja kuvauksen aikaan luotain oli vielä 430 miljoonan kilometrin etäisyydellä Plutosta. Nix havaittiin vastaavasta kuvasarjasta, joka otettiin tammi-helmikuun vaihteessa 2015.

Lisää kuvamateriaalia Plutosta otettiin Ralph- ja LORRI-kameroilla huhtikuun alussa 2015, jolloin luotaimella oli matkaa Plutoon vielä hieman yli 100 miljoonaa kilometriä. Kuviin sisältyy Ralphilla otettu ensimmäinen värikuva, sekä LORRIn kuvasarja Kharonista kiertämässä Plutoa. Näissä kuvissa erottuu sekä Pluton punertava sävy että Pluton pinnan selvästi tummempia ja vaaleampia alueita. Erityisesti mielenkiintoa herätti hyvin vaalea alue, joka vaikuttaa olevan ympäristöään puhtaamman jään alue Pluton toisen navan ympäristössä. Näissä kuvauksissa käytetty 1/10 sekunnin valotusaika on liian lyhyt, että pienemmät kiertolaiset olisi ollut mahdollista erottaa. Pienimmät kiertolaiset, Kerberos ja Styx, havaittiin sen sijaan LORRIlla 25. huhtikuuta ja 1. toukokuuta välisenä aikana otetusta kuvasarjasta, jossa kukin valotus oli 10 sekunnin pituinen.

Kuvasarjassa, jonka LORRI-kamera otti 29. toukokuuta ja 19. kesäkuuta välisenä aikana noin 25 miljoonan kilometrin etäisyydeltä Plutosta, Pluton pinnalta erottuu vaihtelevan näköistä maastoa. Kuvaston erikoisuus on kuitenkin Kharonin pinnalla erottuva, selvästi ympäristöään tummempi alue. Kesäkuun lopulla infrapunaspektrografi Ralph havaitsi Plutossa metaania. Tämä ei sinänsä ollut uusi tieto, sillä Plutosta havaittiin metaania Maasta käsin jo 1970-luvulla. Luotaimen havaintotarkkuus kuitenkin riittää selvittämään metaanin alkuperää. Ultraviolettispektrografi Alice teki 16. kesäkuuta testihavaintoja, joita tarvitaan myöhempien ilmakehähavaintojen käsittelyssä.

Luotaimessa tapahtui jonkinlainen häiriö 4. heinäkuuta. Häiriö aiheutti luotaimen ja Maan välisen yhteyden katkeamisen noin kello 17.54 UTC-aikaa. Häiriön ilmettyä luotain siirtyi automaattisesti turvatilaan, jonka turvin yhteys lennonjohtoon palautui kello 19.15 UTC-aikaa ja luotain alkoi lähettää vian paikallistamiseen tarvittavia tietoja Maahan. Häiriön seurauksena luotain ei voinut tehdä havaintoja. Häiriön syy oli vain yhden kerran suoritettavassa komentosarjassa, joka valmisteli luotainta Pluton lähiohitukseen. Luotain jatkoi toimintaansa normaalisti 7. heinäkuuta, mutta häiriöstä aiheutui katkos havaintoaineistoon. Tutkimuksen kannalta katkoksella ei ole merkitystä.

NASA julkaisi 10. heinäkuuta alustavaa pohdintaa Pluton pinnan geologiasta. Erityisesti tässä keskityttiin pohtimaan pinnalta erottuvia monikulmion muotoisia hahmoja sekä päiväntasaajan seudun laajaa tummaa aluetta. Tässä vaiheessa kuvien tarkkuus oli vielä 27 km/kuvapikseli eikä pinnan kemian yksityiskohtia vielä tunnettu, joten mitään kovin täsmällistä ei ollut mahdollista sanoa.

Yksi historiallinen kuva julkaistiin 12. heinäkuuta. Tuossa LORRI-kameran ottamassa mustavalkokuvassa näkyvä osa Pluton pinnasta ei näy luotaimelle enää ennen ohilentoa, joten kuva tulee olemaan yksityiskohtaisin kuva Pluton Kharoniin päin lukkiutuneesta puoliskosta vähintään useisiin vuosikymmeniin, mahdollisesti koskaan. Kuvassa erottuu rivi noin 480 km:n läpimittaisia, tarkkarajaisia tummia alueita, sekä useita monikulmaisia pinnanmuotoja. Kuvaa täydennetään myöhemmin Ralph-instrumentin mittamalla tiedolla pinnan värityksestä. Kuva otettiin luotaimen ollessa noin neljän miljoonan kilometrin etäisyydellä Plutosta.

Varsinaisen ohilennon aluksi NASA julkaisi 768 000 kilometrin etäisyydeltä otetun kuvan, jossa näkyy koko Pluton se pallonpuolisko, jota ohilennon aikana havaitaan. Itse ohilennon aikana luotain ei ole yhteydessä maahan vaan kaikki resurssit käytetään etukäteen määritellyn havainto-ohjelman mukaisten havaintojen tekoon. Luotain ottaa lyhyen yhteyden Maahan jos ohilento on onnistunut 15. heinäkuuta noin kello neljältä aamuyöllä Suomen aikaa. Varsinainen datasiirto alkaa myöhemmin ja ensimmäiset kuvat ohilennon ajalta ovat saatavilla aikaisintaan 15. heinäkuuta iltapäivällä tai illalla. Kaiken ohilennon aikana kerätyn datan lähettäminen Maahan kestää lokakuuhun 2016 saakka. 

Heti ohilennon jälkeen luotain lähetti vain pienen määrän kaikkein tärkeimmäksi oletettua dataa. Varsinainen täysimittainen tiedonsiirto alkoi syyskuussa 2015 ja kesti 25. lokakuuta 2016 saakka. Ohilennolta kertyi dataa 50 gigatavua, jonka lähettäminen Maahan 1–4 kilotavun nopeudella kesti noin 450 vuorokautta. Datan siirron hitaus johtuu luotaimen verrattain pienestä lähetystehosta ja suuresta noin viiden valotunnin etäisyydestä Maahan. Datan tarkistuksen jälkeen luotaimen tallennustilaa tyhjennettiin valmistauduttaessa seuraavaan kohteeseen, Arrokothin ohilentoon.

Luotaimen keräämät havainnot muuttivat suuresti käsityksiä Plutosta. Esimerkiksi Pluton geologinen aktiivisuus, vuoristot ja kraatterien vähäisyys hämmästyttivät tiedemaailmaa.

Lähteet

Aiheesta muualla 

NASAn New Horizons -sivu 
New Horizonsin kotisivut 
NASAn infopaketti lehdistölle 
Overview of the New Horizons Science Payload 
Plutosta otetut kuvat NASA:n sivuilla 

Transneptunisten kohteiden tutkimusluotaimet
Kääpiöplaneettaluotaimet
Jupiter-luotaimet
Pluto (kääpiöplaneetta)
Vuoden 2006 avaruustoiminta