New Horizon, Ultima Thule

Nyt New Horizonsin tähtäimessä on Aurinkokunnan rajaseutu

Nasan New Horizons -luotain saavuttaa uudenvuoden­päivänä 2019 seuraavan tavoitteensa: Ultima Thulen. Jäinen lohkare 6,5 miljardin kilometrin päässä Maasta on etäisin kohde, mitä yksikään luotain on tutkinut. Samalla se on jäänne niistä kappaleista, joista Aurinkokunnan planeetat muinoin syntyivät.

Nasan New Horizons -luotain saavuttaa uudenvuoden­päivänä 2019 seuraavan tavoitteensa: Ultima Thulen. Jäinen lohkare 6,5 miljardin kilometrin päässä Maasta on etäisin kohde, mitä yksikään luotain on tutkinut. Samalla se on jäänne niistä kappaleista, joista Aurinkokunnan planeetat muinoin syntyivät.

SPL

Avaruuslento on tarkkaa hommaa – etenkin jos aluksen ja ohjaajan välillä on miljardeja kilometrejä. Uudenvuodenpäivänä kello 6.33 Nasan luotain New Horizons ohittaa noin 30 kilometrin kokoisen jäisen lohkareen, Ultima Thulen. Operaatio tapahtuu Aurinkokunnan ulkorajalla Kuiperin vyöhykkeessä.

Ohilennon aikana luotain kuvaa kaukaisen kiertolaisen pintaa ja ottaa pölynäytteitä sitä ympäröivästä avaruudesta.

New Horizons lähti matkaan Cape Canaveralin avaruuskeskuksesta Floridasta 19. tammikuuta 2006. Se on osa Nasan New Frontiers -tutkimusohjelmaa.

New Horizons laukaisurampilla Cape Canaveralissa joulukuussa 2005.

© NASA

New Horizonsin pääasiallinen tehtävä oli tutkia kääpiöplaneetta Plutoa ja sen viittä kuuta. Niitä se katsastikin menestyksekkäästi kuuden kuukauden ajan 2015. Tulokset olivat niin hyvät, että luotaimen tehtävää jatkettiin.

478 kiloa eli noin puolet henkilöauton painosta.

Elokuussa 2015 luotaimelle annettiin uusi tutkimuskohde, 1,5 miljardin kilometrin päässä Plutosta sijaitseva Kuiperin vyöhykkeen kappale, jonka virallinen tunnus on 2014 MU69.

Nyt New Horizons on saapumassa sen luo. Matkan aikana jäinen lohkare on saanut lempinimekseen Ultima Thule, joka tarkoittaa äärimmäistä rajaa.

New Horizons, Pluto

New Horizons lensi Pluton ohi vuoden 2015 alkupuoliskolla.

© NASA

Matkalla jo 13 vuotta

Kun New Horizons varhain uudenvuodenpäivän aamuna ohittaa Ultima Thulen 3 500 kilometrin päästä, luotaimella on takanaan 6,5 miljardin kilometrin taival. Se lähti matkaan 19. tammikuuta 2006.

Ensimmäiset kuvat

Syyskuu 2018: New Horizons otti ensimmäiset kuvat Ultima Thulesta.

Kurssin tarkistus

Lokakuu 2018: Luotaimen kurssi kohti Ultima Thulea tarkistettiin.

Varasuunnitelma

Joulukuu 2018: Jos käy ilmi, että reitillä on pölypilviä tai asteroideja, kurssia voidaan muuttaa niin, että New Horizons ohittaa Ultima Thulen 10 000 kilometrin päästä 3 500 kilometrin sijaan.

Lyhin etäisyys

1. tammikuuta 2019 klo 7.33: New Horizons on lähimmillään Ultima Thulea kummankin ratavaihtoehdon mukaan.

Tietojen siirto maahan

2019–2021: Kuvat ja muut tiedot Ultima Thulesta ja 25 muusta Kuiperin vyöhykkeen kappaleesta tulevat Maahan.

Ultima Thulesta tulee etäisin kohde, jota ihmisen tekemä alus on tutkinut.

Se on myös yksi alkukantaisimmista koskaan tutkituista Aurinkokunnan kappaleista.

Ensimmäinen pysäkki Pluto

New Horizonsin seitsemän mittaus- ja havainnointilaitteen tehtävänä on ottaa selville, miltä Ultima Thule ja muut Kuiperin vyöhykkeen kappaleet näyttävät. Samalla ehkä selviää, miten Aurinkokunnan neljä ulointa planeettaa – Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus – ovat syntyneet.

Kuiperin vyöhyke koostuu miljoonista erikokoisista kappaleista, jotka kiertävät Aurinkoa miljardien kilometrien levyisenä nauhana Neptunuksen kiertoradan tuolla puolen. Ultima Thulen kaltaisten pikku lohkareiden lisäksi vyöhykkeellä on ainakin neljä Pluton tapaista kääpiöplaneettaa.

Maasta Plutoon on viiden miljardin kilometrin matka. Siihen meni New Horizonsilta yhdeksän ja puoli vuotta. Lähes koko ajan luotaimen laitteet olivat energian säästämiseksi horrostilassa.

Ennen New Horizonsin Pluton-matkaa tutkijoiden tiedot kääpiöplaneetasta olivat hyvin vähäiset. Oikeastaan tiedettiin vain, että Plutolla on viisi kuuta, ohut kaasukehä ja punertava pinta, jossa on jäätynyttä metaania, typpeä ja hiilimonoksidia eli häkää. Nyt tiedetään enemmän.

Pluto New Horizonsin kuvaamana 14. heinäkuuta 2015.

© NASA/JHUAPL/SwRI

New Horizons sai ohilentonsa aikana selville muun muassa, että Pluton läpimitta on 2 376 kilometriä eli 47 kilometriä enemmän kuin luultiin.

Se havaitsi myös vuoria, joiden metaanijään peittämät huiput ulottuvat 4,5 kilometrin korkeuteen, satojen kilometrien pituisia rotkoja ja valtavia jähmettyneen typen muodostamia jäätiköitä.

Suurin niistä, Sputnik Planitia, on suurempi kuin Ranska. Vastaavaa ei tunneta muualta Aurinkokunnasta. Jäätiköllä ei näy törmäyskraattereita, mikä tarkoittaa sitä, että uutta jäätä syntyy jatkuvasti.

Pluton sisukset ovat siis geologisesti aktiivisia ja jään alla täytyy olla lämmönlähde, joka pitää sulamisen ja jäätymisen käynnissä.

New Horizons antoi uutta tietoa myös Pluton kuista.

Niistä suurimmalla, Kharonilla, ei ole kaasukehää, ja sen pinnalla on paljon vanhoja kraattereita, eli siellä ei ole enää geologista toimintaa.

Pluto, måne, Charon

Pluton kuu Kharon

© NASA/JHUAPL/SwRI

Sen sijaan Kharonin lapsuudessa pinta oli kovassa myllerryksessä, minkä jäljiltä syntyi isoja jään peittämiä tasankoja, jopa 13 kilometriä syviä rotkoja ja kilometrien korkuisia vuoria.

Yllättävin havainto oli se, että kuun pohjoisnapaa peittää punertava metaani- ja typpijää. Nämä kaasut ovat peräisin Plutosta ja ne ovat jäätyneet Kharonin navalle. Vastaavaa ei ole nähty missään muualla.

Tutkijat arvelevat. että Pluto kuineen on syntynyt Aurinkokunnan varhaislapsuudessa neljä miljardia vuotta sitten, kun kaksi isoa planeetta-alkiota törmäsi toisiinsa. Planeetta-alkiot ovat kappaleita, jotka syntyivät samaan aikaan kuin varsinaiset planeetat mutta jäivät korkeintaan muutaman sadan kilometrin levyisiksi lohkareiksi.

Syynissä 25 taivaankappaletta

Jo ennen kuin New Horizons lähetettiin matkaan 2006, Nasa oli suunnitellut, että 700 miljoonaa dollaria maksanut luotain jatkaisi Pluton jälkeen muualle Kuiperin vyöhykkeeseen, jos vain sen laitteet toimivat ja polttoainetta on jäljellä.

Molemmat ehdot täyttyivät, ja luotaimen seuraava etappi alkoi vuonna 2016.

Ultima Thule

Teleskoopit ovat havainneet useita tähtiä (värilliset viivat), joiden valoa Ultima Thule (musta täplä) varjostaa.

© NASA

Ultima Thule valikoitui määränpääksi pitkän valmistelun jälkeen. Jo vuonna 2011 tutkijat alkoivat etsiä sopivaa Kuiperin vyöhykkeen kohdetta.

Apuvälineinä heillä olivat Magellan-teleskooppi Chilessä ja Subaru-teleskooppi Havaijilla.

Ensin mahdollisia tutkimuskohteita löydettiin 143 kappaletta, mutta ne piti kaikki hylätä, sillä kohde sai sijaita korkeintaan asteen päässä luotaimen radalta, jotta polttoainetta ei tarvinnut käyttää radan muutoksiin.

Vasta kun tutkijat saivat käyttöönsä Hubble-avaruusteleskoopin, saatiin esiin kolme varteenotettavaa ehdokasta. Lopulta valinta osui Ultima Thuleen, joka sijaitsee lähimpänä New Horizonsin rataa.

Kun Ultima Thule valittiin, tutkijat olettivat, että se on maapähkinän muotoinen kappale, jonka läpimitta on 30–40 kilometriä. Uudemmat Maasta tehdyt havainnot viittaavat kuitenkin siihen, että kyseessä voi olla myös kaksi pienempää kappaletta, jotka kiertävät toisiaan.

5 laitetta syynää jäälohkaretta

/ 5

Radiometri tutkii kaasukehän paineen ja lämpötilan

Jos Ultima Thulella on kaasukehä, New Horizonsin radiometri mittaa sen paineen ja lämpötilan.

1

Teleskooppikamera kartoittaa

New Horizonsin teleskooppikamera kuvaa Ultima Thulea eri kulmista, kun luotain lentää sen ohi. Kuvista nähdään, onko Ultima Thule yksi 30 kilometriä pitkä kappale vai kaksi pienempää, jotka kiertävät toisiaan. Kuvista on määrä selvittää myös pinnalla olevien kraatterien lukumäärä.

2

Spektrometri paljastaa kaasukehän aineet

Jos Ultima Thulessa on kaasukehä, sen kaasut imevät itseensä ultraviolettisäteilyä eri tavoin. Siitä New Horizonsin ultraviolettispektrometri voi päätellä, mitä kaasuja kaasukehässä on. Spektrometrilla seurataan myös vetykaasun määrää Ultima Thulea kauempana Kuiperin vyöhykkeessä ja määritetään siitä kaasun tiheys.

3

Kamera kertoo pinnan koostumuksen

Spektrometri rekisteröi Ultima Thulen pinnasta tulevan infrapunasäteilyn ja mittaa siitä pinnan lämpötilan vaihteluja eri kohdissa, kuten kraattereissa. Spekrometri toimii yhdessä optisen kameran kanssa. Yhdistämällä niiden kuvat saadaan värikartta pinnasta ja tieto siitä, mistä aineista pinta koostuu.

4

Pölynkeräin tutkii renkaita

Laite, joka kerää näytteitä Ultima Thulen lähistöltä, selvittää, onko sen ympärillä pölyrenkaita ja jos on, mistä ne muodostuvat. Lisäksi se mittaa pölyä muualla Kuiperin vyöhykkeessä. Siitä voidaan ehkä selvittää, missä oloissa vyöhykkeen kappaleet ovat syntyneet.

5
© NASA

Varmuus asiasta saadaan, kun New Horizons pääsee itse paikalle ja lähettää kuvat Maahan.

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaisesti, New Horizons ohittaa Ultima Thulen 3 500 kilometrin päästä. Se on vain kolmasosa siitä etäisyydestä, jolta luotain tutki Plutoa.

Toisaalta havainnointiaika on lyhyempi.

Luvassa on kaksi kertaa niin tarkkoja kuvia kuin Plutosta otetut. Pienimmät yksityiskohdat niissä ovat koripallokentän kokoisia.

Selviääkö planeettojen synty?

Ultima Thule on kiinnostava siksikin, että se on pitkälti muuttumattomana säilynyt jäänne Aurinkokunnan syntyajoilta.

Ultima Thulen jälkeen luotaimen työlistalla on vielä 25 tutkimuskohdetta Kuiperin vyöhykkeellä.

New Horizonsin tehtävänä on selvittää Ultima Thulen muoto, lämpötila, pinnan koostumus ja mahdollisen kaasukehän ja pölyrenkaiden olemassaolo.

Jos Ultima Thule on isommasta lohkareesta törmäyksessä irronnut palanen, alkuperäisen kappaleen sisäinen rakenne on näkyvissä sen pinnassa.

Siitä tutkijat voisivat selvittää, miten varhaiset planeetta-alkiot muodostuivat, kun jää, pöly ja kivenlohkareet törmäilivät ja kasaantuivat yhä suuremmiksi kappaleiksi. Osasta niistä syntyivät nykyiset planeetat.

Ultima Thulen jälkeen New Horizonsin ohjelmassa on ainakin 25 muun kappaleen havainnointi. Osaa niistä se tähyilee 15 miljoonan kilometrin päästä, ja Quaoarin, jonka arvellaan olevan kääpiöplaneetta, se ohittaa 1,5 miljardin kilometrin etäisyydeltä. Quaoar sijaitsee yhtä kaukana Ultima Thulesta kuin Maa Auringosta. Maasta sinne on matkaa kahdeksan miljardia kilometriä.

New Horizons

Teknikot viimeistelevät New Horizonsia esittelykuntoon steriilissä tilassa marraskuussa 2005.

© NASA

Tutkijoita kiinnostaa Kuiperin vyöhykkeen kappaleissa muoto ja koostumus.

Kun tulokset yhdistetään Ultima Thulesta saataviin tietoihin, voidaan kehittää selitysmalli sille, miten Kuiperin vyöhyke ja uloimmat planeetat saivat alkunsa.

Jos käy ilmi, että monet vyöhykkeen kohteista muodostuvat kahdesta toisiaan kiertävästä kappaleesta, se voi selittää, miten neljä ulointa planeettaa syntyivät planeetta-alkioiden kolaroidessa 4,5 miljardia vuotta sitten.

Kuiperin vyöhyke on saanut nimensä alankomaalais-yhdysvaltalaiselta tähtitieteilijältä Gerard Kuiperilta, joka päätteli sen olemassaolon jo vuonna 1951.

Ensimmäiset vyöhykkeen kappaleet bongattiin kuitenkin vasta 1992. Nykyisin arvioidaan, että Aurinkokunnan laidalla 4,5–7,5 miljardin kilometrin päässä Auringosta kiertää miljoonia Ultima Thulen kokoisia kappaleita, yli satatuhatta yli 100 kilometrin levyistä kappaletta ja ainakin neljä kääpiöplaneettaa.

Kylmä ja pimeä kosminen arkisto

Aurinkokunnan lapsuudessa Kuiperin vyöhyke ulottui paljon lähemmäs Aurinkoa. Siinä olevat kappaleet törmäilivät toisiinsa ja muodostivat planeetta-alkioita, joista sitten kasvoivat neljä kaasuplaneettaa Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus.

Sitä mukaa kuin planeetat kasvoivat, ne alkoivat vaikuttaa toistensa ratoihin niin, että 4,1 miljardia vuotta sitten Jupiter ajautui kohti Aurinkoa, kun taas Saturnus, Uranus ja Neptunus paiskautuivat nykyisille radoilleen.

Loput planeetta-alkiot sinkoilivat eri suuntiin.

Osa päätyi Aurinkokunnan ulkopuolelle, osa lähemmäs Aurinkoa, missä ne törmäsivät sisempiin planeettoihin ja kuihin. Useimmat planeetta-alkiot jäivät kuitenkin Neptunuksen painovoimakenttään.

Niistä syntyi sitten nykyinen Kuiperin vyöhyke, jonka lohkareet kiertävät Aurinkoa samassa tasossa kuin planeetat.

© SPL

Kuiperin vyöhykkeessä on neljänlaisia kappaleita

Siitä lähtien Kuiperin vyöhykkeen kappaleet ovat kiertäneet radoillaan lähes muuttumattomina.

Kun lämpötila on 223 astetta pakkasen puolella, aine ei pääse höyrystymään, ja koska Aurinko on kaukana, valo tai muu säteily ei vaikuta jäisten kappaleiden pintaan.

Kuiperin vyöhykkeen kiertolaiset ovat siis jäänteitä samasta pölyn, kaasun ja jään muodostamasta kiekosta, josta Aurinkokunnan neljä ulointa planeettaa syntyivät.

Siksi Ultima Thulea tutkimalla voidaan päästä jyvälle Aurinkokunnan varhaislapsuudesta ja planeettojen synnystä.

Ensimmäinen välähdys Ultima Thulesta New Horizonsin tähtäimessä.

© NASA/JHUAPL/SwRI

Tutkijoita kiinnostavat erityisesti Kuiperin vyöhykkeen kappaleiden pinnalla olevat kraatterit. New Horizonsin tehtävänä onkin kuvata kappaleita niin tarkkaan, että kraatterit voidaan laskea.

Kuiperin vyöhykkeen kappaleiden kiertoradat ovat olleet vakaita neljä miljardia vuotta, joten mahdolliset kraatterit eivät voi olla kovin nuoria.

Jos niitä on, ne ovat syntyneet silloin, kun kivenlohkareita ja planeetta-alkioita oli niin tiheässä, että ne törmäi­livät toisiinsa jatkuvasti.

Kraatterien lukumäärästä voidaan päätellä, oliko alkuperäinen Kuiperin vyöhyke harva vai täynnä planeettojen rakennusaineita.

Tämän tyyppistä ensi käden tietoa tutkijoilla ei ole tähän mennessä ollut. Kun New Horizons lähettää tiedot havainnoistaan Maahan, teoriat Aurinkokunnan synnystä ovat entistä tukevammalla pohjalla.

Urakka jatkuu 2030-luvulle.
Koska Ultima Thule on 6,5 miljardin kilometrin päässä Maasta, sen keräämien tietojen saapuminen Maahan vie aikansa. Koko datamäärän siirtämiseen kuluu 21 kuukautta. Nasan tutkimusjohtaja Sol Alan Stern arvioi, että ensimmäisiä tuloksia päästään julkaisemaan syyskuussa 2021.

New Horizons on viides luotain, joka on päässyt Neptunuksen kiertoradan ulkopuolelle ja Kuiperin vyöhykkeelle.

Jo vuonna 1983 Neptunuksen ohitti Nasan Pioneer 10, joka lähetettiin matkaan 1972. Myöhemmin kaasujättiläisen ohi ovat lentäneet Pioneer 11 sekä Voyager 1 ja Voyager 2. Pioneer-luotaimista kuultiin viimeisen kerran vuonna 2003, mutta molemmat Voyager-luotaimet ovat yhä yhteydessä Maahan.

Voyager 1 on nyt 21 miljardin kilometrin päässä Maasta. Siitä tuli 2012 ensimmäinen ihmisen rakentama alus, joka on päässyt heliosfäärin ulkopuolelle.

Heliosfääri on Auringon vaikutuspiiri avaruudessa. Sen rajat määräytyvät aurinkotuulen mukaan niin, että heliosfääri päättyy siellä, missä Auringosta tulevia hiukkasia on vähemmän kuin muualta tulevia hiukkasia.

Nasan Voyager-luotaimet ovat olleet toiminnassa yli 40 vuotta.

© NASA/JPL-Caltech

Vaikka Kuiperin vyöhykkeessä on käynyt luotaimia ennen New Horizonsia, niistä ei juuri ole ollut iloa sen tutkimisessa, sillä ne lähetettiin matkaan, ennen kuin vyöhykkeen olemassaolo oli vahvistettu, eikä niissä ollut tarvittavia tutkimuslaitteita. Esimerkiksi Voyager-luotainten kamerat eivät ole kyllin herkkiä, jotta luotaimet olisi voitu ohjata lähelle tutkittavia kappaleita.

New Horizonsin laitteet, kuten hiukkasilmaisin, on suunniteltu nimenomaan Kuiperin vyöhykkeen tutkimiseen. Lisäksi siinä on pölynkeräin. Kun matka jatkuu kohti Aurinkokunnan rajaa, hiukkasilmaisin mittaa hiukkasten ja vedyn määrää ja laskee siitä, milloin aurinkotuulen vaikutus lakkaa.

Sternin mukaan New Horizons lähettää tietoja Maahan 2030-luvun puoliväliin asti. Silloin sen polttoaine loppuu, mutta luotain jatkaa matkaansa ja poistuu Aurinkokunnasta vuoden 2040 tienoilla.