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New Horizons - Rendezvous mit Pluto

Einleitung

Im vierten und letzten Teil des Artikels geht es nun um die eigentliche Begegnung mit Pluto. Die vorherigen drei Teile sind:

 Gegenüber den Planung ist der Vorbeiflugabstand etwas größer geworden, zwei Wochen vor dem Vorbeiflug wurden 12.500 km (relativ zur Oberfläche) angegeben. Beim Start wurden noch 11.095 km genannt. Die Vorbeifluggeschwindigkeit von 14 km/s ist geblieben. Pluto wird bei der Ankunft der Sonde 4,77 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt sein. Ein Signal braucht 4 Stunden 30 Minuten bis es auf der Erde eintrifft. Die Kosten wurden vor dem Vorbeiflug auf 720 Millionen Dollar von 2001 bis 2017 genannt. Sie sind anders als bei vielen anderen Projekten praktisch seit dem Start unverändert geblieben.

Erkenntnisse aus der Fernerkundung

Ende April 2015 noch in 100 Millionen km Entfernung von Pluto, waren die Bilder besser als alle vorher gemachten, inklusive der Hubble Bilder. Das sagt allerdings nicht viel aus, denn selbst für das Hubble Weltraumteleskop ist Pluto maximal 2 Pixel als beugungsbegrenztes Bild groß. Durch Helligkeitsmessungen kann man höher aufgelöste Bilder erreichen. Das gelang Hubble als Charon sich während einiger Tage vor Pluto schob und so Teile der Oberfläche abdeckte. Indem man die Helligkeitsveränderungen miss kann man dann eine Karte erstellen, die höher aufgelöst ist:

Ende Juni zeigten die Bilder von New Horizons dann auch mehr Details als diese künstlich generierten Karten:

Schon jetzt fällt aber eine Diskrepanz in der Helligkeitsaufteilung auf. Die HST-Aufnahmen zeigen mehr dunkle Gebiete als die New Horizons Aufnahmen, vor allem der helle Fleck auf der einen Hemisphäre links ist nicht zu finden. In den Aufnahmen von LORRI fällt auch auf, das Charon wesentlich dunkler ist als Pluto und in den Farbaufnahmen von RALPH ist der Farbunterschied deutlich sichtbar. Charon ist dunkelbraun, Pluto dagegen rötlich und heller. Auch die Zusammensetzung ist unterschiedlich Charon besteht zu je 50% aus Eis und Gestein, Pluto dagegen zu zwei Dritteln aus Gestein und nur zu einem Drittel aus Eis.

Aus der Entfernung machte LORRI seit Mai 2015 langzeitbelichtete Aufnahmen. Sie sollten nach weiteren Monden suchen. Weniger um diese noch in das Messprogramm zu integrieren - weil die meisten Instrumente erst wenige Stunden vor dem Erreichen des nächsten Punktes Pluto bildfüllend haben und daher 100-mal mehr Daten gewonnen werden als übertragen werden können sind die Beobachtungen wo und wann sich die Raumsonde dreht schon Monate vor dem Vorbeiflug festgelegt worden. (New Horizons hat keine schwenkbare Plattform auf der die Instrumente sitzen, für die Beobachtung wird die gesamte Raumsonde gedreht). Die Aufnahmen dienen vielmehr dazu, festzustellen ob nicht ein Objekt sich dort befindet wo die Raumsonde auf ihrem Weg Pluto passiert. Anfang Juli hätte man auf LORRI-Aufnahmen noch Objekte finden müssen, die 20 bis 30-mal lichtschwächer als der lichtschwächste bekannte Plutomond Styx sind. Man fand aber keine. Auch die leichte Anpassung der Bahn beruhte auf Sicherheitsaspekten. Man passiert so eine Region die durch die Gravitationskräfte von Pluto und Charon "freigefegt" ist. Ein Objekt dort wird in etwa gleich stark von Pluto und Charon angezogen und fällt so auf einen der beiden Körper oder verlässt das System durch die Störungen der Bahn. Näher bei Pluto könnte das Objekt zu einem Plutomond werden und näher bei Charon zu einem Charonmond. Anfang Juli konnte daher ein vorbereitetes Präventivmanöver, um einem Objekt auszuweichen, abgesagt werden.

Am 30.6.2015 fand das letzte Manöver statt das den Kurs vor Pluto veränderte. es war das neunte seit dem Start. 23 Sekunden lang beschleunigten die Verniertriebwerke die Sonde um 0,8 km/h. So ist sie nun wieder mitten im Zielkorridor der nur rund 100 x 150 km groß ist und mit maximal 100 s Abweichung getroffen werden muss. Vorher war die Sonde 186 km außerhalb des Korridors. Der Korridor ergibt sich vor allem durch die geplanten Bedeckungsmessungen wenn New Horizons nach dem Vorbeiflug den schatten von Pluto und Charon nacheinander passiert. Die Radiosignale würden dann eine eventuelle Atmosphäre passieren und diese Methode kann selbst geringe Gaskonzentrationen bestimmen (zumindest den Druck und Temperatur, wenn auch nicht die Zusammensetzung). Beobachtungen der fliegenden Infrarotsternwarte Sofia, einem DLR/NASA Projekt, brachten auch die erfreuliche Nachricht, dass die Atmosphäre von Pluto noch nicht ausgefroren ist. Pluto ist so kalt dass Gase nur bei Erreichen des sonnennächsten Punktes durch die Sonneneinstrahlung verdampfen und eine kurzlebige Atmosphäre bilden, bevor sie beim Abkühlen, wenn Pluto sich von der Sonne entfernt, (das tut er seit 1999) wieder ausfallen. Die Sorge das die Atmosphäre ausgefallen sein könnte war sehr groß. Geplant waren Pluto Missionen deutlich früher die dann durch Jupiter auch stärker beschleunigt werden. PFF sollte 2003 starten und Pluto 2011 erreichen, Pluto Kuiper Express Ende 2004 und Pluto 2013 erreichen. New Horizons kommt zwei Jahre später an, das kann schon einen großen Unterschied machen zumal man die Atmosphäre erst 10 Jahre vor Periheldurchgang nachweisen konnte.

Auch die Raumsonde ist in einem guten Zustand. Es stehen 202 Watt zur Verfügung. Das entspricht den Berechnungen vor dem Start und ist ausreichend alle Systeme zu betrieben, wenn auch nicht alle gleichzeitig. Die Datenrate wird 2000 Bits erreichen. Vor dem Start gab man nur 600-700 Bit/s an und hoffte, dass verbesserte Empfänger auf der Erde eine Steigerung um den Faktor 1,5 zulassen würden - es ist nun der Faktor 3 geworden. Die Strategie beeinflusst das aber nicht: Die Sonde wird alle Daten während der Near-Encounterphase auf ihren redundant vorhandenen 8 GByte großen Flash-Speicher ablegen. Sie wird nur wenige Daten in Realzeit senden. Danach folgt über 3 Monate eine Übertragung aller Daten im "Browse" Mode und danach über 12 Monate der Teil der wichtig erscheint in voller Auflösung / geringerer Komprimierung. Die Sonde wird nur einen teil ihres Speichers nutzen, vor dem Start war die Gesamtdatenmenge mit 107,8 GBit angegeben worden - das sind aber alle Daten über die ganzen Monate der Begegnung. Der Teil der gespeichert wird wird 10 GBit an nutzbarer Information umfassen. Diese wird zuerst mit dem Faktor 20 übertragen ("Browse") später mit geringerer Komprimierung aber dafür nicht alle Daten.

Das Messprogramm besteht weitgehend, bis kurz vor der Begegnung, aus Aufnahmen von LORRI und später RALPH. ALICE als UV-Spektrometer wird aktiv werden, wenn die Sonde Pluto passiert hat. Dann kann die Sonde die Atmosphäre über dem Planeten untersuchen: Elektronen die die  Atome umkreisen absorbieren UV-Strahlung und werden auf ein höheres Niveau gehoben und emittieren dann Strahlung bei einer festen Wellenlänge. Bei dünnen Atmosphären (und damit rechnet man bei Pluto) kann man die Absorption beim Hinflug kaum bestimmen, sie ist zu schwach. Die Emission die aber gegen die Dunkelheit des Weltraums sich abgrenzt kann man durchaus messen. Diese Messungen werden wenige Stunden nach dem Vorbeiflug erfolgen. Die beiden Teilcheninstrumente SWAP und PEPSI werden aufgrund der geringen Masse von Pluto eine Beeinflussung des Sonnenwindes ebenfalls nur rund um die Zone der nächsten Annäherung feststellen können. Eventuell findet man auch Spuren von Atomen der Atmosphäre die durch Strahlung und Teilchenkolissionen Pluto verlassen konnte., Der Staubdetektor müsste schon viel Glück haben, wenn er einen Treffer registriert. Nach dem Vorbeiflug wird auch die Atmosphäre mit dem Sender der Sonde untersucht. dazu sendet das Experiment REX nur die Trägerwelle, diese aber mit sehr stabiler Frequenz zur Erde. Durch die gemessene Dopplerverschiebung kann man die Masse und Masseverteilung von Pluto und Charon feststellen und beim Passieren der Atmosphäre durch die Abschwächung deren Dichte.

New Horizons wird Pluto am 14.7.2015 erreichen - auf den Tag genau 50 Jahre nach Mariner 4 Passage des Mars. Mariner 4 war zwar nicht die erste erfolgreiche Raumsonde (das war Mariner 2), aber die erste Raumsonde die Aufnahmen eines anderen Planeten zur Erde funkte.

Die Phasen der Begegnung

Die Annäherung und Entfernung ist in drei Phasen unterteilt. In der Fernerkundungsphase die vom Januar 2015 bis zum 4.4.2015 dauerte, war New Horizons noch 225 bis 121 Millionen km vom Ziel entfernt. Pluto war maximal 4-5 Pixel groß. In dieser Phase gibt es sporadische Aufnahmen und die Sonde hat auch niedrige Priorität im Deep Space Network. Bei Phase 2, die bis zum 24. Juni dauert, nimmt man mehr aufnahmen auf, man übertrifft nun die Teleskope auf der Erde und in dieser Zeit fällt auch der größte Teil der Suche nach weiteren Monden. In Phase 3 wird der Sonde nun die volle Aufmerksamkeit teil, auch die 70 m Antennen nehmen nun vor allem Daten von New Horizons entgegen. Nun zeigen die Bilder immer mehr Details. In diesen letzten 20 Tagen sinkt die Distanz von 26 Millionen km auf 12.500 km. Beim Entfernen wiederholen sich die Phasen dann entsprechend.

Die eigentliche Erkundung begann am im Juni 2015. Am 4.7.2015 war der letzte Tag an dem man noch die Bahn hätte ändern können. Dies war wie oben erwähnt nicht notwendig. Am 7.7.2015 werden die Computerprogramme für die automatisierten Beobachtungen in den Bordcomputer hochgeladen. Am 12. und 13. Juli werden die Daten, die bisher gewonnen wurden heruntergeladen als "Absicherung" das man etwas hat, wenn es danach Probleme gibt. Danach stehen Beobachtungen im Vordergrund und nicht mehr das Senden von Daten.

Die eigentliche Near-Encounterphase, also die eigentliche Heiße Phase der Begegnung dauert gerade mal 48 Stunden rund um den 14.7.2015. Nur während dieser 48 Stunden bekommt New Horizons die 70 m Antennen des DSN über die ganze Zeit. Danach für 3 Monate immerhin über 8 Stunden pro Tag.

VorbeiflugAm 14.7.2015 um 7:49 EDT, das ist bei uns um 13:49 MESZ, passiert New Horizons Pluto. 14 Minuten später ist der geringste Abstand zu Charon erreicht - 28.800 km. Nix wird in 21.000 km Entfernung passiert und Hydra in 75.000 km. Von diesen Kleinmonden wird es keine Nahaufnahmen geben - die Raumsonde zu drehen dauert dafür zu lange und man verliert so wertvolle Zeit bei Pluto. Von ihnen wird es Aufnahmen aus größerer Distanz mit einigen Kilometern pro Pixel geben. Auch von Pluto wird es hochaufgelöste Aufnahmen von nur einer Hemisphäre geben - der Planet rotiert sehr langsam, in 6,38 Tagen einmal um die Achse. Die andere Hemisphäre ist voll zu sehen, wenn New Horizons noch 3,2 Tage, eine halbe Umdrehung von Pluto entfernt ist. Aus dieser Distanz beträgt die Auflösung aber nur 38 km/Pixel. Geplant ist ein Versuch eine langzeitbelichtete Aufnahme von Plutos Schattenseite anzufertigen. Sie wird von Charon beleuchtet. Ob dies gelingt ist zweifelhaft. Diese Technik wurde bei Iapetus eingesetzt, als Cassini ihn passierte. Es gab nur einen nahen Vorbeiflug an Iapetus, das heißt wie bei New Horizons konnte man nur eine beleuchtete Hemisphäre fotografieren. Dies gelang, wenngleich bei geringen Kontrasten. Nur wurde Iapetus von Saturn beleuchtet - einem relativ großen Himmelskörper der noch dazu dreimal näher an der Sonne steht und heller ist. Schon die normalen Aufnahmen von Pluto erfordern 0,15 s Belichtungszeit - eine Siebtels Sekunde trotz hochempfindlicher CCD-Detektoren und relativ großen Pixeln.

40 Minuten später durchkreuzt New Horizons für 9 Min 57 s den Schatten von Pluto - dann finden Atmosphärenuntersuchungen durch REX und ALICE statt. Eineinhalb Stunden nach der Begegnung durchquert sie für 2 Minuten 7 Sekunden den Schatten von Charon und wiederholt diese Messungen. Charon wird auch gleichberechtigt im Messprogramm auftauchen, es wird wegen der größeren Distanz und weil die Kameras nur auf ein Objekt schauen können, aber keine Nahaufnahmen geben. Die besten Plutoaufnahmen werden 70 m/Pixel erreichen. Nach der Passage werden die Aufnahmen nur eine dünne Sichel zeigen, denn beim Anflug ist Pluto praktisch voll ausgeleuchtet.

Am darauffolgenden Tag 15.7. 2015 beginnen in 1,2 Millionen km Entfernung die "Post-Vorbeiflug" Operationen und die ersten Daten des Vorbeiflugs werden übertragen. Nach einer Woche sollen etwa zwei Dutzend Bilder veröffentlicht werden.  Abgestuft folgen dann noch am 4 August in 24 Millionen km Entfernung die Post-Phase 2 mit nur noch gelegentlichen Aufnahmen und am 22 Oktober in 119 Millionen km Entfernung die Post-Phase 3. In dieser finden gar keine Aufnahmen mehr statt. Nun überträgt man nur noch Daten und beginnt mit den Vorbereitungen für die Nach-Pluto Mission.. Im Oktober und November 2015 müsste dann auch eine Kurskorrektur zu einem KBO erfolgen.

Im November 2015 hat man alle "Browse" Daten heruntergeladen, sprich die Daten in hoher Komprimierung und/oder Zusammenfassung von Pixeln (Binning). Am 1.1.2016 endet der Vorbeiflug formal. Pluto wird dann schon wieder 226 Millionen km entfernt sein.  Es schließen sich nun Kalibrierungen der Instrumente an. Sie sind wichtig um die Daten zu bearbeiten z.B. das interne elektronische Rauschen herauszurechnen. Das Herunterladen der wichtigen Daten in voller Auflösung (aber nicht aller Daten) sollte im Oktober/November 2016 beendet sein.

Danach schließt sich eventuell die Begegnung mit einem weiteren KBO (Kuiper Belt Objekt an). Vor dem Start war man sehr optimistisch bis zum Vorbeiflug einen oder mehrere Kandidaten zu finden, doch man fand keine. Es gibt eine Reihe von Einschränkungen. Neben dem begrenzten Treibstoff für Kurskorrekturen nimmt die verfügbare Leistung Stromversorgung pro Jahr um 3,5 Watt ab und ab 2021 wird man deutliche Einschränkungen im Meßprogramm haben. Darüber hinaus wird man keine Genehmigung von der NASA erhalten die Raumsonde sehr lange noch aktiv zu halten. Dies ist auch mit Kosten verbunden.. Anders als Voyager ist für New Horizons kein Betrieb über Jahrzehnte im interplanetaren Medium geplant. Die Sonde hat dafür ein zu schwaches Sendesystem (Faktor 8 weniger Leistung als Voyager), startete aufgrund Produktionsverzögerungen mit einem nur teilweise befüllten RTG (230 anstatt 285 Watt Ausgangsleistung) und kann ihre räumliche Lage nur unter Treibstoffverbrauch ändern. Zudem hat Voyager erheblich mehr Teilcheninstrumente an Bord als New Horizons und über 100 AE weiter von der Erde entfernt und entfernt sich noch dazu schneller als die Plutosonde von der Erde.

Nachdem man aber selbst mit den Großteleskopen Magellan und Subaro keinen großen sondern nur kleine KBO, fand beantragte das Team 2014 Beobachtungszeit beim HST und konnte in einer Wochen dauernden Beobachtungskampagne zwischen Juni und September 2014 rund 186 Orbits (rund 300 Stunden) Beobachtungszeit zur Suche aufwenden.. Man fand elf KBO im Flugkorridor, die meisten aber nicht mit dem Treibstoffvorrat erreichbar. Drei KBO, provisorisch PT 1 bis 3 genannt (Potential Target) sind dagegen erreichbar. Alle drei sind rund 44 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, also 12 AE außerhalb der Bahn Plutos, Für PT2 so stellte sich rasch heraus, gäbe es zu wenig Treibstoff an Bord. Die Wahrscheinlichkeit das man ihn erreichen könnte liegt bei nur 7%. Bleiben die beiden Objekte PT1 (offiziell: 111013Y) und PT3 (G12000Z). Selbst das Weltraumteleskop kann nur die Helligkeit der Objekte 26,8 und 26,4 Mag messen. Wie groß sie sind, das hängt von ihrer Albedo ab. Bei einer angenommenen Albedo von 15% wäre PT1 25 km groß, PT2 30 km. bei 4% Albedo wären es 45 bzw. 55 km. Dies sind recht niedrige Albedowerte. Charon, der schon dunkler als Pluto ist hat z.B. eine Albedo von 0,35. (Die erde hat in etwa die gleiche) Würde man diese ansetzen, so wären die KBO nochmals kleiner, nur noch 16 bzw. 20 km groß. Plutos Albedo liegt mit 0,6 bis 0,7 noch höher, in einem Bereich den auch viele Saturnmonde haben. Würden die Objekte Plutos Albedo haben so wären sich nur noch 12-15 km groß. Die Albedo von 0,04 ist sehr gering, das ist in etwa die von Teer Belag. der Erdmond hat eine höhere trotz dunklem Gestein, seine Albedo beträgt 0,07.

Würde New Horizons PT1 ansteuern so müsste sie sich am 1.12.2015 um 60 m/s beschleunigen. Nach einer Phase der Hibernation würde sie dann am 2.1.2019 PT1 passieren. Entscheidet man sich für die Passage des größeren Objektes PT2, so müsste man schon am 1.10.2015 die Sonde um 115 m/s beschleunigen, also wesentlich früher und stärker. Das ist an der Grenze des verbliebenen Treibstoffes (bei PT1 käme man mit auch nur 25 m/s Beschleunigung aus wenn man früher den Antrieb einsetzt).. Die Passage an PT2 wäre dann am 19.3.2015.

Da diese Objekte noch mindestens 40-mal kleiner als Pluto sind wird man Daten die man von Pluto bis Ende Juni 2015 bekam etwa einen Tag vor dem Vorbeiflug erwarten können. Das Blickfeld der Kamera werden sie bei Passagegeschwindigkeiten von 8 bis 14 km/s maximal 10 Minuten vor der nächsten Passage füllen. Bei so kleinen Objekten macht sogar dann die Passage Distanz die man bei einigen Tausend Kilometern ansetzen kann, einen großen Unterschied in der Größe auf der Kamera. Bewilligt ist eine Missionsverlängerung um 3 bis 4 Jahre. Bewilligt ist sie derzeit bis 2017, dann sollten auch die letzten Daten ausgelesen sein.

Die Begegnung

Am 4.7.2015, nur 10 Tage vor der Begegnung stellte New Horizons die Beobachtungen ein. Der Autopilot an Bord der Raumsonde erkennte ein Problem. Er tat darauf hin worauf er programmiert wurde: Er stellte um vom Primärrechner auf den Backuprechner, falls dieser ausgefallen ist und dieser startete ein Sicherheitsprogramm. Diesen "Safe Mode" haben alle im Einsatz befindlichen Raumsonden. In ihm gewährleistet der Computer das die Raumsonde nicht beschädigt werden kann und Verbindung zur Erde hat. Der Schutz vor Beschädigungen ist bei New Horizons recht einfach, da die Raumsonde nicht besonders ausgerichtet werden muss damit Instrumente geblendet oder die Raumsonde oder Instrumente überhitzt werden und auch keine Solarzellen auf die Sonne ausgerichtet werden müssen. Danach schaltet der Computer meistens auf eine Antenne mit niedrigem Gewinn um, da man nicht weiß ob die Hauptantenne korrekt ausgerichtet ist, im Falle von New Horizons wäre das die Mittelgewinnantenne die einen Öffnungswinkel von 14 Grad hat (Hauptantenne: nur 0,2 Grad). das reduziert aber auch dei Datenrate beträchtlich. Danach sendet New Horizons Telemetrie zur Erde die über den Zustand der Systeme Auskunft gibt. Aufgrund der Signallaufzeit von viereinhalb Stunden wird so die Fehlersuche und Beseitigung mehrere Tage dauern - zu jeder Aktion müssen die Signallaufzeiten von 9 Stunden hin und zurück addiert werden. Nach einer Stunde ohne Signal hatte der Backupcomputer übernommen, das Safe-Programm gestartet und nach Checks sandte er Telemetrie zur Erde.

Dies erinnert an einen Vorfall vor fast dreißig Jahren. Beim Vorbeiflug von Voyager 2 an Uranus durchzogen nur sechs Tage vor der Begegnung dunkle und helle Linien die Bilder. Man rief den Inhalt des Bordcomputers ab und stellte fest das ein Bit keine "0" war sondern eine "1". Der Code wurde daraufhin umgeschrieben um den Speicherbereich zu umgehen und dieser Block (256 Byte groß) wurde gesperrt. Damals konnte das Problem zeitnah gelöst werden und beeinträchtige die eigentliche Begegnung nicht. Bei New Horizons ist es aber anders: die eigentliche Near Encounter Phase wird voll automatisiert ablaufen, mit erheblich komplexeren Abläufen als bisher von der Raumsonde ausgeführt. Wenn dort ein solcher Fehler auftritt, dann wird es keine Daten aus der Nähe von Pluto geben.

Am 5.7. also einen Tag nach dem Vorfall gab die Missionsleitung bekannt. Man habe keinen Hardwaredefekt noch einen Softwarefehler beim Computer gefunden. Es wäre ein "hard-to-detect timing flaw", also schwer zu erkennender Zeit(überlappungsfehler). So ein Fehler kann vorkommen wenn zwei Ereignisse sich wiedersprechen z.B. ein Instrument in die eine Richtung schauen soll, ein anderes aber noch aktiv ist und woanders hin schaut. Analoges kann auch beim Verarbeiten von Datenströmen intern vorkommen. Die gute Nachricht: keines der Programme die beim Vorbeiflug aktiv sein werden, wird ähnliche Aktionen auslösen wie das das am 4.7. den Vorfall verursachte. So sollte es dort nicht zu diesem Fehler kommen. Am 7.7. wird New Horizons wieder seinen wissenschaftlichen betrieb aufnehmen. Wissenschaftlich hat der Ausfall in dieser Entfernung (das letzte Bild stammt aus 11,9 Millionen km Entfernung) noch keine großen Auswirkungen. klappt alles so würde das nach Jim Green, dem NASA-.Leiter der Mission die Gesamtnote von einer 1+ auf eine 1 absenken.

Wie am 7.7.2015 bekannt wurde war die Ursache des Ausfalls eine Überlastung des Bordcomputers. Er sollte Daten die sich im dem SSD-Datenrekorder von 8 GByte Größe befanden komprimieren um Platz zu schaffen für die Daten der Begegnung, Schon jetzt können nicht alle Daten zur Erde übertragen werden. Gleichzeitig lief ein Upload von nur Software. Beide Aufgaben zusammen überforderten den Prozessor, der schon beim Start vor 9 Jahren nicht der neueste war. Der Monogoose-V Prozessor basiert auf dem 1988 erschienen MIPS R3000 und ist in etwa so schnell wie ein Intel 386.Prozessor mit 33 MHz.

Da beim Encounter nicht Befehle empfangen werden verzichtete man auf eine Anpassung des schon lange vorher festgelegten Messprogrammes. Alles andere "wäre ein Anfängerfehler" so der Leiter der Mission. Auch arbeitet die Sonde mit allen primären Systemen, da es keinen Hardwaredefekt gab.

Am 14.7.2015 gibt es nur Beobachtungen keine Datenübertragung oder Kommandoempfang. Mehr als 300 einzelne Untersuchungen sind geplant. So kann es nicht zu diesem Fehler kommen. Am 11.7.2015 machte New Horizons aus 3,9 Millionen km Entfernung dieses Bild:

Das besondere: es ist nicht nur das beste Bild bisher, es wird von dieser Seite des Planeten auch das beste bleiben. Pluto rotiert mit einer Periode von 6,38 Tagen. Das bedeutet, eine halbe Umdrehung dauert 3,2 Tage. Damit ist dieser Teil von Pluto die Hemisphäre die beim Vorbeiflug genau auf der Nachtseite liegt. Sie wird man also nie besser erfassen können. Auch erfasst man nicht das ganze System. Bedingt durch die starke Neigung der Rotationsachse (um 122,5 Grad gegen die Bahnebene, das heißt retrograd und um 32,5 Grad zur Senkrechten gekippt) und die hohe Neigung der Bahnebene, sieht New Horizons nur etwas mehr las die Hälfte der Oberfläche wie man an dieser ersten Karte aus Aufnahmen von größerer Entfernung sehen kann.

Mapo1New Horizons wird versuchen nach dem Vorbeiflug Aufnahmen von Plutos Schattenseite zu machen die von Charon beleuchtet sind. Ich sehe dem skeptisch gegenüber ob sie auswertbar sind. Eine ähnliche Technik benutzte die DLR Institut für Planetenerkundung beim einzigen nahen Iapetusvorbeiflug von Cassini. Da es der einzige wa,r machte man auf der Schattenseite Aufnahmen mit sehr langer Belichtungszeit die Iapetus beleuchtet durch den schatten von Saturn zeigen. Diese zeigten zumindest einige Strukturen, wenn auch einen sehr geringen Kontrast und wenigen Details. (Link zu einer Rohaufnahme). Nur ist Saturn mehr als dreimal näher als Saturn. Berücksichtigt man die Entfernung der Leuchtquelle und Albedo so wird Chron. etwa viermal schwächer als Saturn leuchten. So wird diese Seite von Pluto wohl noch lange unbekannt bleiben.

Am Sonntag, also nur noch zwei Tage vor dem Vorbeiflug sollte nach den Modellen mit Alice das dritte Instrument Pluto "sehen" können, das heißt er hebt sich vom Hintergrundrauschen ab. Während des Vorbeiflugs werden etwa 200 Personen mit der Mission betraut sein, sonst waren es während der meisten Phasen der Mission nur etwa 50.

Der Vorbeiflug selbst hat große Ähnlichkeit zu dem von Voyager an Uranus. Bedingt durch die starke Schräglage des Plutosystems erreicht New Horizons praktisch zeitgleich die Minimalabstände zu allen Körpern. Charon z.B. nur 14 Minuten nach Pluto, Da er sich bei einem Abstand von 28.800 km von der Sonde aus gesehen hinter Pluto befinden muss (Er hat einen mittleren Abstand von 19.600 km vom Zentrum) gelingen vielleicht doch einige gute Charonaufnahmen.

Pluto aus 766.000 km AbstandVon LORRI werden Aufnahmen mit 70 m Auflösung erwartet (sie decken dann aber nur 70 km im Quadrat ab), von Ralph 250 m. Da Ralph eine CCD-Zeile von 5000 Elementen hat kann man in dieser Auflösung etwa einen Streifen von 1200 km breite abbilden. Allerdings wird bedingt durch die sich ändernde Distanz der Streifen immer breiter und die Auflösung sinkt dann ab. Ziel ist eine globale Kartierung durch Ralph mit 500 m/Pixel. Ralph ist auch anders als LORRI fähig Farbaufnahmen anzufertigen bzw. liefert Farbinformationen die man mit LORRIs Detailaufnahmen kombinieren kann um diese einzufärben. Mehr über New Horizons Instrumente im zweiten Teil der Serie.

Schon zwei Tage vor der nächsten Begegnung gibt es einige Neuigkeiten. PEPSSI konnte schon vor fünf Tagen Stickstoffionen detektieren. Das spricht entweder für eine starke Quelle oder eine Fokussierung Richtung Sonde. Am Nordpol (der Südpol liegt im Schatten) wurde Stickstoff und Methaneis nachgewiesen. Der Durchmesser von Pluto wurde auf 2370 +/- 20 km bestimmt, damit ist er etwa 2 km größer als vorher durch Sternbedeckungen von der Erde aus bestimmt wurde. Immerhin steigt der Durchmesser nun wieder an - der Planet wurde als er entdeckt wurde auf 6800 km Größe geschätzt und wurde dann durch bessere Beobachtungen immer kleiner. 1990 erreichte das den Tiefpunkt mit 2288 km. Seitdem ist er nun wieder um 82 km größer geworden - die Größenbestimmung ist nicht einfach und wenn ein Körper eine Atmosphäre hat sogar sehr schwierig. Charos Durchmesser von 1208 km wurde bestätigt (vorher wurden 1207 km angegeben, das ist innerhalb der Fehlergrenzen identisch). Nix und Hydra die zu klein waren um in Teleskopen aufgelöst zu werden wurden auf 35 km(Nix) und 45 km Durchmesser (Hydra) bestimmt. Sie sind damit deutlich kleiner als vorher angenommen.

Wie die Animation der New Horizons Webseite zeigt ist beim Vorbeiflug lediglich Nyx in einer günstigen Position. Charon, Hydra, Kerberos und Styx befinden sich auf der Seite von Pluto die weiter von der Sonde entfernt sind. Bei Chron. ist dies zu verschmerzen - dank seiner Größe ist der Mond schon aus 240.000 km für LORRI bildfüllend. Ralph müsste wegen der geringen Auflösung und fünfmal mehr Pixeln dagegen bis auf 12.160 km herankommen. Bei den kleinen Monden wirkt es schwerer. Man wird sehen ob sie direkt beim Vorbeiflug überhaupt auf dem Meßprogramm, stehen, denn da gibt es kurzer Zeit so viele Beobachtungen das man wahrscheinlich nicht zeitintensiv die ganze Sonde dreht um diese kleinen Mond abzulichten. Wahrscheinlich wird man sie einige Stunden vor der nächsten Begegnung in noch einigen Hunderttauend Kilometern Entfernung aufnehmen. Bei der Pressekonferenz nach dem Vorbeiflug wurde dann bekannt dass sich meine Vermutungen bestätigen. Die Aufnahmesequenzen sind auf Pluto konzentriert. Selbst Charon wird nur mit 2,25 km/Pixel aufgenommen (der Mond ist dann etwas über 500 Pixel groß und füllt das Blickfeld der Telekamera zu 50% aus), bei Nix und Hydra sind es 2,9 bzw. 3.2 km/Pixel, damit sind die Mond einige Dutzend Pixel groß und man wird kaum Details erkennen. Das ist schade, denn Charon, das zeigen die Aufnahmen aus größerer Distanz unterscheidet sich nicht nur in Farbe und Helligkeit von Pluto, auch er scheint eine relativ glatte Oberfläche zu haben. Wenige Krater waren auf den bisherigen Aufnahmen erkennbar, aber immerhin mehr als bei Pluto.

Pluto und Charon FalschafarbekanrteErst um 2:53 MESZ (0:53 UTC) am 15.7 wird das Signal von New Horizons wieder die Erde erreichen - während der Begegnung ist die Antenne nicht auf die Erde gerichtet, da sie fest montiert ist und die Experimente woanders schauen als die Antenne. Das war eine Designentscheidung um die Raumsonde billiger zu machen (die Voyagers hatten eine bewegliche Plattform auf der die Experimente waren die eine Ausrichtung auf das Ziel erforderten wie Kameras). Die Pressekonferenz anlässlich des Vorbeiflugs präsentierte dann das linke Bild von Pluto, noch aufgenommen am 13.7 als letztes bevor die Sonde autonom wurde und noch 766.000 km von Pluto entfernt war. Man hatte es zurückgehalten, damit man auch auf der Pressekonferenz etwas zeigen konnte, die Aktualisierung der "Rohbilder" auf der Webseite endete schon am 11.7. Auch ein gröberes Portrait von Pluto und Charon aus Daten des Infrarotspekrometers MVIC wurde veröffentlicht, damit ist bestätigt was schon die LORRI aufnahmen zeigen, nämlich das die beiden Himmelskörper die ja ein Doppelplanetensystem bilden und von denen man daher vermutet das sie zusammen entstanden an der Oberfläche völlig unterschiedliche Zusammensetzungen haben.

So kam es dann auch pünktlich um 2:53 empfing man das Trägersignal und ab 2:55 die Telemetrie, also die Messwerte und Status Indikatoren der Sonde und der Experimente. Sie zeigten an, dass alles in Ordnung ist und das Messprogramm ohne Störung abgearbeitet wurde - erst jetzt hätte man Grund zum Jubeln, doch gefeiert wurde schon vorher als die Sonde Pluto passierte. Um 11:50 am 15.7.2015 werden dann die ersten wissenschaftlichen Daten erwartet. Einige Bilder sollen noch am späten Mittwoch veröffentlicht werden, in Deutschland könnte es dann schon Donnerstag sein.

Sputnik PlanumWas dem Autor persönlich auffällt ist dass die LORRI-Bilder selbst seltsam unscharf sind. Es sind noch Rohbilder und da kennt man von anderen Missionen Artefakte wie helle Pixel auf zahlreichen Cassini-Aufnahmen durch energiereiche Teilchen, Über- oder Unterbelichtung, aber sie sind scharf. Ob dies an einer extremen Komprimierung bei der Übertragung liegt und die "richtigen" Aufnahmen (die man aber erst in Monaten abrufen wird) dann volle Auflösung haben oder ein Effekt der langen Belichtungszeit ist weiß ich nicht. Schon als die Sonde gebaut wurde wusste man das die Lagerregelung bei den langen Belichtungszeiten überfordert ist und ein Verschmieren von 3,5 µrad bei 100 ms Belichtungszeit zu erwarten ist (die Auflösung beträgt 4,94 µrad). Bei Jupiter waren die Aufnahmen bei nur 13 ms Belichtungszeit auf jeden fall scharf. So stürzten sich auch viele Amateure auf die veröffentlichten Bilder um sie mit Techniken wie Dekonvolution nachzuschärfen.

Nachdem kurz nach dem Encounter einige Fotos veröffentlicht wurden, gab es eine lange Pause.  6 Wochen später erklärte Alan Stern, dass dies keine Absicht gewesen sei, sondern die Raumsonde die letzten Wochen die Plasmaumgebung hinter Pluto untersucht hat. Es wären erst 5% der rund 50 Gigabit Daten die man gewonnen habe übertragen worden. Priorität haben auch zuerst die nicht Visuellen Daten die länger zum Auswerten brauchen (ein Datensatz muss nach den NASA-Regelungen 6 Monate nach Empfang frei verfügbar im PDS sein, so sendet man die Daten zuerst für deren Auswertung man am längsten braucht). Es fehlten noch die kompletten Kartierungsaufnahmen durch LORRI und MVIS. Bei einer Datenrate von 2 kbit/s wird es noch lange dauern bis die restlichen Daten auf der Erde ankommen.

Ab Anfang Oktober gab es dann aber alle paar Tage neue Aufnahmen, die sowohl faszinierend wie auch schön sind.

Die Bilder von Sputnik Planum, die einzigen hochauflösenden die es bisher gab. lassen aber einige Schlüsse zu. So ist das Gebiet aufgrund der Kraterdichte relativ jung, maximal 100 Millionen Jahre alt. Eine Erklärung ist das Stickstoff aus dem Inneren diese geologische Aktivität verursacht. Es wird am Perihel so "heiß" das er vom festen in den gasförmigen Zustand übergeht und er ist so das Gegenstück zu Wasserdampf bei irdischer Tektonik, verschiebt und glättet die Oberfläche und gast schließlich aus. Die derzeitige Rate ist allerdings nicht ausreichend dafür. Eventuell hat Pluto in der Vergangenheit mehr Stickstoff verloren. Das obige Bild zeigt einen Ausschnitt aus dem Rand mit 400 x 400 km Größe. Deutlich sichtbar ist am Rand die verkaterte, raue Oberfläche die man nach Milliarden Jahren Beschuss durch Kometen und Kleinplaneten erwarten sollte und darunter die glatte Oberfläche von Sputnik Planum. In einige Kater ist das Material eingeflossen was ebenfalls für das junge Alter und eine Strömung durch Aufschmelzen spricht. Die Oberfläche von Pluto wird vorwiegen aus Wassereis bestehen, angereichert durch Gaseinschlüsse (Stickstoff und Methan).

Auf zu 2014 Mu69

Am 28.8.2015 gab die NASA bekannt dass man sich für den Kandidaten PT1 (inzwischen hat er eine offizielle Registrierungsnummer erhalten und heißt nun 2014 Mu69, bis der Entdecker, in diesem Falle das Hubble Team ihm einen echten Namen geben) entschieden hat. PT1 ist schneller zu erreichen und man braucht weniger Treibstoff als zu PT3, dem zweiten Kandidaten. Allerdings ist er auch kleiner, er ist 0,4 mag dunkler, was bei gleicher Albedo, also Reflexionsgrad der Oberfläche einem rund 21% kleineren Durchmesser entspricht. Der Unterschied liegt aber auf niedrigem Niveau, derzeit wird der Durchmesser auf 45 km geschätzt, also gerade mal 2% des Durchmessers von Pluto oder in der Größenordnung der kleinen Plutomonde von denen man nun ja schon niedrig aufgelöste Aufnahmen hat. Viel bessere wird es von 2014 MU69 auch nicht geben, denn die Passagedistanz wird vergleichbar sein. Ende Oktober bis Anfang November wird man in vier Bahnänderungen den Kurs festlegen, die Passage erfolgt dann nach den Planungen Ende August 2015 am 1.1.2019.

Am 23, 25 und 28.10.2015 sowie 4.11. fanden dann Bahnänderungen durch New Horizons statt. Das erste am 23.10 dauerte 16 Minuten und änderte die Geschwindigkeit um 10 m/s. Am 25.10.2015 dauerte das zweite Manöver schon 25 Minuten und das dritte am 28.10.2015 dauerte 30 Minuten  Die Gesamtmanöver werden die Geschwindigkeit um 57 m/s ändern. Ziel ist eine Passage an 2014 MU69 in einer Distanz kleiner als bei Pluto, also unterhalb von 12000 km. Angesichts der kleinen Größe ist dies auch wünschbar. Es gibt dadurch dass man das Ziel mit dem niedrigeren treibstoffverbrauch gewählt hat noch genügend Treibstoff um die Bahn noch feiner zu justieren, wenn man durch optische Navigationsaufnahmen die Position des Kuiperobjektes besser vorhersehen kann. Aus 12.000 km Entfernung wäre ein 45 km großes KBO nur 750 Pixel auf der LORRI-Kamera groß, bei Ralph sähe es noch schlechter aus. Auf 45 km wird derzeit die Größe von 2014 MU59 geschätzt.

Ein Jahr später, am 26.10.2016 konnte die NASA den Abschluss des Datentransfers vermelden. Insgesamt 50 Gigabit wurden mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 2000 Bit/s übertragen. Dies ist etwa 50% mehr als die Planungen nach dem Start (38 GBit), da auch die Datenübertragungsrate deutlich höher als die damals veranschlagen mindestens 600, erhofft 1000 bis 1200 Bit/s war. Damit ist die Primärmission beendet, die erweiterte Mission ist jedoch schon im Gange. Derzeit wird eine Passagedistanz von 3000 km an 2014 MU 69 angestrebt. Die Distanz wird 43,4 AE von der Sonne, 6493 Mill km, betragen.

Im Juni/Juli 2017 lief eine Beobachtungskampagne. Der Asteroid 2014 MU 69 soll einen Stern bedecken. dafür gibt es drei Möglichkeiten. Neben irdischen Observatorien (die nicht immer genau in dem Pfad liegen der überstrichen wird - und dieser ist bei einem so kleinen Körper relativ klein) ist auch die fliegende Sternwarte Sofia beteiligt, ein B-747 Jumbo Jet mit einem 2,5 m Teleskop, ein Gemeinschaftsprojekt von NASA und DLR. Die erdgebundenen Teleskope suchen wenn sie die Bedeckung nicht direkt beobachten können nach Kleinen Körpern oder Schutt in der Nähe des Asteroiden. Sollte man solche finden so muss man eventuell die Passagedistanz anpassen. Sofia soll vor allem den Durchmesser bestimmen. Dieser ergibt sich aus der Bedeckungszeit. Beim ersten Vorbeiflug am 3.6.2017 konnte Sofia keine Abschwächung des Sternenlichtes messen. das bedeutet das 2014 MU 69 bei gegebener Helligkeit kleiner und heller sein muss als vorher angenommen. Die beiden anderen Vorbeiflüge fanden am 10.7. und 15.7.2017 statt.

Am 10.8.2017 wurde eine vorläufige Deutung präsentiert, warum durch MU69 bei den meisten Teleskopen keine Bedeckung nachweisbar war. Der Körper muss entweder sehr elliptisch oder länglich sein. Solche Asteroiden kennt man bereits, z.B. Itokawa er von der japanischen Raumsonde Hayabusa besucht wurde.  Eine zweite Erklärungsmöglichkeit wäre es, das es sich um zwei Himmelskörper handelt die einander eng umkreisen, vielleicht sogar berühren - selbst Großteleskope können in dieser Entfernung zwei Objekte die eng nebeneinander liegen nicht auflösen- Man sollte bedenken, das selbst Plutos Mond Charon (immerhin 1100 km große und 19.000 km vom Zentrum entfernt) bis 1978 nicht entdeckt wurde, weil Pluto auf allen Fotografien als nur ein Körper erschien. Selbst die größten Teleskope können in 43 AE Entfernung maximal 3.000 km große Details auflösen. Zwei kleine Körper die in einigen Hundert Kilometer Entfernung einen gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen würde man hier für ein Objekt halten, da selbst im optimalen Falle der Abstand viel kleiner als das Auflösungsvermögen des Teleskops wäre.

Am 7.9.2017 wurde die Vorbeiflugdistanz zu 2014 MU69 auf 3.500 km festgelegt. Es gibt noch einen "Plan B" falls man bei der Annäherung viel Geröll oder andere kleine Körper um 2014 MU69 entdeckt, dann würde man die Distanz auf 10.000 km erhöhen. LORRI sollte beim Vorbeiflug noch Details von 70 m Größe vergleichen mit 183 m bei Pluto erfassen können. Allerdings passt aus dieser Distanz der kleine Kuiper-Planetoid immer noch in ein komplettes Bild, das aus dieser Entfernung etwa 17,7 x 17,7 km groß ist.

Die erweiterte Mission von New Horizons kostet rund 20 Millionen Dollar pro Jahr.

 
Missionsphase Datum (auf der Raumsonde, auf der Erde treffen Signale 4 h 30 Minuten später ein)
Beginn Phase 3 Annäherung 8.1.2015 in 226 Millionen km Entfernung
Beginn Phase 2 Annäherung 4.4.2016 in 121 Millionen km Entfernung
Beginn Phase 1 Annäherung 24.6.2015 in 26 Millionen km Entfernung
Near Encounter Beginn (Keine Datenübertragung zur Erde mehr) 13.7.2015 in 1,2 Millionen km Entfernung
Plutopassage am 14.7.2015 um 13:49 MESZ in 12.500 km Entfernung
Charonpassage am 14.7.2015 um 14:03 MESZ in 28.800 km Entfernung
Beginn Okkultation Sonne durch Pluto am 14.7.2015 um 14:50 MESZ
Beginn Okkultation Erde durch Pluto am 14.7.2015 um 14:51 MESZ
Beginn Okkultation Sonne durch Charon am 14.7.2015 um 16:17 MESZ
Beginn Okkultation Erde durch Charon am 14.7.2015 um 16:19 MESZ
Empfang der ersten Telemetrie auf der Erde am 15.7.2015 um 2:53 MESZ in 641.000 km Entfernung
Empfang der ersten wissenschaftlichen Daten auf der Erde am 15.7.2015 um 11:50 MESZ
Near Encounter Ende 15.7.2015 in 1,2 Millionen km Entfernung
Ende Phase 1 Abflug 4.8.2015 in 24 Millionen km Entfernung
optionale Kurskorrektur zu PT3 1.10.2015 um 115 m/s
Ende Phase 2 Abflug 22.10.2015 in 119 Millionen km Entfernung
Ende Übertragung "Browse" Daten November 2015
Ende Phase 3 = Ende Pluto Begegnung 1.1.2016 in 226 Millionen km Entfernung
optionale Kurskorrektur zu PT1 1.12.2015 um 60 m/s
Ende Übertragung aller Daten Oktober/November 2016
Vorbeiflug an 2014 MU 69 31.12.2018 / 1.1.2019
optionaler Vorbeiflug an PT3 15.3.2019

Die Körper des Pluto-Charon Systems:

Dies sind die bekannten Daten der Monde vor dem Vorbeiflug. Aufgrund der Beobachtungen weiß man das Hydra und NIx irreguläre Objekte sind, d.h. sie sind nicht rund sondern eine Achse ist deutlich länger. Beide rotieren zudem chaotisch. Die Streubreite der Größenangaben beruhen auf der Unkenntnis von Form und Albedo. Mit der Albedo von Charon 0,35 hätte Nix 46 km Durchmesser und Hydra 61 km. Kerberos soll eine deutlich niedrigere Albedo von 0,04 haben. Wie die Tabelle unten zeigt waren die Schätzungen für Nix und Hydra sehr gut, versagten aber bei den sehr kleinen Objekten die auch für das Hubble Weltraum Teleskop an der Sichtbarkeitsgrenze waren (impliziert auch einen größeren Meßfehler für die Helligkeit).

Angaben vor dem Vorbeiflug von New Horizons. Quelle: Wikipedia
Name) Mittlerer Durchmesser New Horizons Bestimmung Masse (×1019 kg) Halbachse (km) Exzentrizität Inklination (°)
zu Plutos Äquator
Mittlere Magnitude Entdeckungsjahr
Pluto 2368 ± 20 km 2370 km 1305 ± 7 2,035 0.0022 0.001 15.1 1930
Charon 1207 ±3  km 1208 km 158.7 ± 1.5 17,536 ± 3* 0.002 0.001 16.8 1978
Styx 10 - 25 km 5 x 7 km 0.000–0.002 42,656 ± 78 0.0058 ± 0.0011 0.81 ± 0.16 27 2012
Nix 56 km × 26 km ± ? km 42 x 36 km 0.005 ± 0.004 48,694 ± 3 0.002036 ± 0.000050 0.133 ± 0.008 23.7 2005
Kerberos 13 - 31 km 12 x 4,5 0.002 ± 0.001 57,783 ± 19 0.00328 ± 0.00020 0.389 ± 0.037 26 2011
Hydra 58 km × 34 km ± ? km 55 x 40 km 0.005 ± 0.004 64,738 ± 3 0.005862 ± 0.000025 0.242 ± 0.005 23.3 2005

Links:

http://www.boulder.swri.edu/pkb/ssr/ssr-mission-design.pdf

Pluto Kuiper Express Daten vom NSSC

New Horizons Homepage

Geschichte der Pluto Projekte

New Horizons an der Uni in Boulder/Colorado

http://www.stsci.edu/institute/stuc/oct-2014/New-Horizons.pdf

http://pluto.jhuapl.edu/News-Center/Resources/Press-Kits/NHPlutoFlybyPressKitJuly2015.pdf

http://pluto.jhuapl.edu/common/content/missionGuide/NH_MissionGuide.pdf

https://www.nasa.gov/feature/new-horizons-returns-last-bits-of-2015-flyby-data-to-earth

https://spaceflightnow.com/2017/08/08/new-horizons-next-target-might-be-a-binary-pair/

 

Artikel verfasst am 15.7.2015, Artikel zuletzt aktualisiert am 12.8.2017


© des Textes: Bernd Leitenberger. Jede Veröffentlichung dieses Textes im Ganzen oder in Auszügen darf nur mit Zustimmung des Urhebers erfolgen.
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