New Horizon, Ultima Thule

Nu intar New Horizons Solsystemets okända land

På nyårsdagen 2019 passerar succésonden New Horizons sitt nästa mål: Det lilla isklotet Ultima Thule. Klotet är med sitt avstånd till jorden på 6,5 miljarder kilometer inte bara det mest avlägsna som en farkost har besökt, utan ger även den första insikten i solsystemets ursprungliga byggklossar.

På nyårsdagen 2019 passerar succésonden New Horizons sitt nästa mål: Det lilla isklotet Ultima Thule. Klotet är med sitt avstånd till jorden på 6,5 miljarder kilometer inte bara det mest avlägsna som en farkost har besökt, utan ger även den första insikten i solsystemets ursprungliga byggklossar.

SPL

En precisionsmanöver – det är en bra beskrivning av hur Nasas sond New Horizons på nyårsdagens morgon klockan 06.33 svensk tid på nära håll ska flyga förbi det bara 30 kilometer stora isklotet Ultima Thule i solsystemets yttersta gränsland: Kuiperbältet.

På 3 500 kilometers avstånd ska sonden bland annat ta när­bilder av ytan och samla upp stoftprover.

New Horizons skickades i väg från Cape Canaveral den 19 januari 2006 som en del av den amerikanska rymdorganisationens New Frontiers-program.

New Horizons på rampen i december 2005 på Cape Canaveral.

© NASA

Sondens främsta mål var att undersöka dvärgplaneten Pluto och dess fem månar under en sex månader lång förbi­flygning 2015. Den uppgiften löste New Horizons över all förväntan och uppdraget förlängdes.

478 kilo väger New Horizons. Cirka hälften så mycket som en vanlig personbil.

I augusti 2015 utpekades det lilla isklotet 2014 MU69 som nästa mål och kursen sattes.

Nu har New Horizons tillryggalagt 1,5 miljarder kilometer med Pluto i backspegeln och har nästan kommit fram till sitt mål, Kuiperbältesobjektet 2014 MU69, som under tiden har fått namnet Ultima Thule (vilket betyder den yttersta gränsen).

New Horizons, Pluto

New Horizons flög förbi Pluto under första delen av 2015.

© NASA

Farkost har rest i 13 år

När New Horizons tidigt på nyårsdagens morgon passerar isklotet Ultima Thule på bara 3 500 kilometers avstånd har satelliten sedan uppskjutningen i januari 2006 färdats 6,5 miljarder kilometer genom solsystemet.

De första bilderna

September 2018: New Horizons tar de första bilderna av Ultima Thule.

Kursen finjusteras

Oktober 2018: Satellitens kurs mot Ultima Thule finjusteras.

Hinder upptäcks

December 2018: Om New Horizons upptäcker hinder i form av stoftmoln eller stenar kan kursen ändras, så att sonden flyger förbi klotet på 10 000 kilometers avstånd i stället för planerade 3 500 kilometer.

Närmaste passagen

Den 1 januari 2019 kl. 06.33: New Horizons är som närmast klotet i båda möjliga banor.

Data skickas hem till Jorden

2019–2021: Detaljerade data från Ultima Thule och foton av minst 25 andra isklot i Kuiperbältet sänds ned till jorden.

Ultima Thule blir det mest avlägsna objektet en farkost har besökt och tillhör samtidigt de mest primitiva.

Med hjälp av sju av sondens instrument ska besöket inte bara av­slöja hur de miljontals små kloten, som kretsar runt i solsystemets yttersta områden ser ut, utan också hur de fyra yttre planeterna – Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus – föddes när det begav sig.

Pluto var sondens första hållplats

Kuiperbältet består av mer än en miljon klot. De kretsar runt solen i ett bälte bakom Neptunus, som är flera miljarder kilometer brett. Utöver små isklot som Ultima Thule innehåller bältet även åtminstone fem dvärgplaneter som Pluto.

Resan till Pluto, som ligger fem miljarder kilometer från jorden, tog nio och ett halvt år, och New Horizons har legat i dvala under nästan hela färden för att spara energi och bränsle.

Före uppdraget var forskarnas kunskap om dvärgplaneten begränsad. Astronomerna visste i stort sett bara att Pluto hade fem månar, en tunn atmosfär och en rödaktig yta med is av fryst metan, kväve och kolmonoxid. Men nu vet forskarna mer.

Pluto fotograferad av New Horizons den 14 juli 2015.

© NASA/JHUAPL/SwRI

New Horizons observationer varade i sex månader och avslöjade att Plutos diameter var 2 376 kilometer och därmed 47 kilometer större än förväntat.

Sonden såg också berg med höjder på upp till 4,5 kilometer täckta av fryst metan på toppen, flera hundra kilometer långa klyftor och enorma glaciärer som består av fryst kväve.

Den största, Sputnik Planitia, är större än Frankrike och saknar motstycke i solsystemet. Glaciären har inga nedslagskratrar, vilket innebär att isen förnyas.

Till forskarnas stora förvåning är Pluto fortfarande geologiskt aktiv, vilket betyder att stenkärnan under isen måste rymma en inre värmekälla som driver processen.

New Horizons gav också massor av ny kunskap om Plutos fem månar.

Den största, Charon, har ingen atmosfär, och gamla nedslagskratrar visar att månen – till skillnad från Pluto – i dag är en död sten utan geologisk aktivitet.

Pluto, måne, Charon

Plutos måne Charon.

© NASA/JHUAPL/SwRI

Men i Charons barndom har en våldsam geologisk aktivitet skapat stora, istäckta slätter, gigantiska klyftor med djup på upp till 13 kilometer och flera kilometer höga berg.

Den mest överraskande observationen är emellertid att nordpolen är täckt av ett rödaktigt istäcke, som har bildats av metan och kväve och som med tiden måste ha undsluppit Pluto och fryst fast vid månens kalla pol. Astronomerna har aldrig sett något liknande någon annanstans.

Forskarna uppskattar att Plutos system med de fem månarna bildades i solsystemets tidigaste barndom för över fyra miljarder år sedan i en kollision mellan två stora planetembryon – det vill säga primitiva klot som har skapats samtidigt som planeterna, men som bara mäter mellan ett par meter till några hundra kilometer i diameter.

Sonden undersöker 25 klot

Redan före uppskjutningen 2006 hade Nasa planerat att den 700 miljoner dollar dyra sonden efter besöket på Pluto skulle fortsätta observationerna längre ut i Kuiperbältet – om instrumenten fungerade och det fanns bränsle över.

Båda förutsättningarna visade sig vara uppfyllda och det utvidgade uppdraget genomfördes 2016.

Ultima Thule

n

© NASA

Förberedelserna inleddes 2011, där forskare med Magellanteleskopet i Chile och Subaruteleskopet på Hawaii började söka efter ett lämpligt isklot.

Målet skulle ligga inom en grad från satellitens bana för att minimera behovet av kursändringar och därmed bränsle.

Undersökningen identifierade 143 potentiella mål, men samtliga övergavs för att de krävde för stora kursändringar.

Först när forskarlaget fick observationstid med Hubblerymdteleskopet hittade de tre kandidater – Potential Target 1, 2 och 3.

I slutet av 2015 valdes kandidat 1 – Ultima Thule – som låg närmast New Horizons bana.

När Ultima Thule valdes trodde forskarna att isklotet hade en diameter på 30–40 kilometer och att den var formad som en jordnöt, men nya observationer från jorden tyder på att det kan röra sig om två mindre isklot som kretsar runt varandra.

Fem instrument kommer nära primitivt klot

/ 5

Radiometer visar atmosfärens tryck och temperatur

Om Ultima Thule har en atmosfär kan sondens radiometer avslöja dess tryck och temperatur.

1

Teleskopkamera kartlägger kloten

New Horizons teleskop-kamera tar bilder av isklotet från olika vinklar, medan sonden flyger. Bilderna ska visa om Ultima Thule har en längd på 30 kilometer eller består av två mindre klot som kretsar runt varandra. Kameran ska också räkna antalet kratrar på ytan.

2

Spektrometer avslöjar atmosfärens kemi

Om Ultima Thule har en tunn atmosfär kommer gaserna i den att absorbera UV-strålning på olika sätt. Sondens ultravioletta spektrometer kan därför fastslå atmosfärens innehåll. Instrumentet ska dessutom mäta mängden vätgas längre ut i Kuiperbältet. Utifrån den kanastronomerna räkna ut gasdensiteten i solsystemets yttre områden.

3

Kamera visar ytans innehåll

En spektrometer fångar upp den infraröda värmestrålningen från Ultima Thule och mäter på så sätt ytans temperatur – även avvikelser i form av exempelvis kalla kratrar. Spektrometern arbetar med en optisk kamera, som fångar upp ytans färger. Tillsammans visar de infraröda och optiska mätningarna vad ytan består av.

4

Stoftsamlare undersöker ringarna

En stor stoftsamlare ska avslöja om Ultima Thule omges av stoftringar, och vad stoftet i detta fall består av. Instrumentet ska utöver det mäta mängden stoft i Kuiperbältet och därmed visa under vilka förhållanden små planetembryon bildas.

5
© NASA

Den nöten ska knäckas när satelliten skickar hem de första bilderna till jorden.

Om allt går enligt plan kommer satelliten att på nyårsdagens morgon passera Ultima Thule på 3 500 kilometers avstånd, vilket är en tredjedel av avståndet vid satellitens passage förbi Pluto. Däremot är observationstiden på nära håll kortare, eftersom sonden snabbt passerar det lilla planetembryot.

Upplösningen vid Ultima Thule blir dock dubbelt så hög som vid Pluto, så att New Horizons kan se de­taljer stora som en basketplan.

Isklot visar planeternas uppkomst

Ultima Thule är det mest ursprungliga och utmanade objektet från solsystemets födsel som någonsin har undersökts på nära håll.

25 klot i Kuiperbältet ska New Horizons undersöka på sin fortsatta färd.

Observationerna kommer att visa isklotets form, ta dess temperatur, avgöra sammansättningen av isklotets yta och inre samt avslöja en eventuell atmosfär och stoftringar.

Hela den inre uppbyggnaden av de ursprungliga embryona kommer att vara direkt synliga på ytan om Ultima Thule är en flisa som har slagits av ett stort planetembryo vid en kollision.

I så fall kan forskarna kartlägga embryonas utveckling i detalj och klara upp hur de bildades i solsystemets tidiga barndom i krockar mellan klumpar av is, stoft och sten. Det ska ge forskarna en klarare bild av hur de ursprungliga planetembryona växte sig stora, kolliderade och slogs ihop till planeter.

Enligt planen ska New Horizons fram till 2021 observera minst 25 andra isklot från större avstånd, från 15 miljoner kilometer för några av de små iskloten till 1,5 miljarder kilometer för den möjliga dvärgplaneten Quaoar. Den ligger åtta miljarder kilometer från jorden på samma avstånd från Ultima Thule som jorden ligger från solen.

New Horizons

Tekniker gör New Horizons redo för visning i ett sterilt rum i november 2005.

© NASA

Observationerna ska klargöra isklotens form och ytans sammansättning.

Astronomerna kan då sätta in de detaljerade resultaten i ett större sammanhang och utveckla en ny och bättre modell för hur Kuiperbältet och de yttre planeterna skapades.

Det kan förklara hur planetembryon byggde de fyra yttre planeterna för 4,5 miljarder år sedan om fler av de observerade planetembryona exempelvis ingår i ett dubbelsystem med två klot som kretsar runt varandra.

Den holländsk-amerikanske astronomen Gerard Kuiper förutspådde redan 1951 att en stor population av små isklot kretsade utanför Neptunus bana, men först 1992 lyckades forskare få syn på den första av dem.

I dag uppskattar astronomerna att bältet består av en skiva fylld av isklot som kretsar på mellan 4,5 och 7,5 miljarder kilometers avstånd från solen. Kuiperbältet innehåller troligen flera miljoner små planetembryon som Ultima ­Thule, mer än 100 000 isklot med en diameter på över 100 kilometer och åtminstone fem – och kanske ännu fler – dvärgplaneter.

Kuiperbältet döljer det förflutna

I solsystemets barndom var bältet större och befann sig närmare solen. Där krockade de små planetembryona gång på gång och bildade på så sätt de fyra gasplaneterna – Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus.

I takt med att planeterna växte, ökade den ömsesidiga gravitationsverkan, och för cirka 4,1 miljarder år sedan skickade den in Jupiter närmare solen, samtidigt som Saturnus, Uranus och Neptunus kastades utåt till sina nuvarande banor.

De överblivna planetembryona spreds åt alla håll.

En del embryon slungades ut ur solsystemet, andra skickades in mot solen och de innersta planeterna där de orsakade nedslagskratrar som finns kvar på månen och Mars.

Majoriteten av planetembryona fångades in av Neptunus gravitationsfält. Därmed bildade de dagens Kuiperbälte där iskloten kretsar i en skiva i samma plan som planeterna.

© SPL

Fyra sorters objekt kretsar i Kuiperbältet

I det mörka och kalla yttre solsystemet har de små iskloten de senaste fyra miljarder åren kretsat i stabila banor utan förändringar.

Temperaturen i Kuiperbältet är minus 223 °C, och därför avdunstar inte materian i och omkring kloten. Samtidigt ligger solen så långt bort att varken ljus eller strålning har förändrat isklotens yta. Med andra ord är Kuiperbältets klot otroligt välbevarade ursprungliga planetembryon.

Dessa bildades i samma skiva av stoft, gas och isklumpar som födde de fyra yttre planeterna.

Därför kan den kunskap som New Horizons inhämtar om Ultima Thule ge forskarna en ny information om både solsystemets tidiga barndom och planeternas uppkomst.

New Horizons första glimt av Ultima Thule i siktet.

© NASA/JHUAPL/SwRI

Ett av de mest spännande resultaten kan komma från New Horizons observationer av kratrar som uppstått genom krockar med stenar och planetembryon.

Sonden ska bland annat ta närbilder som ska visa antalet kratrar.

Eftersom kloten i Kuiperbältet har kretsat i stabila banor under de senaste fyra miljarder åren kan eventuella kratrar inte ha uppstått nyligen, utan måste ha bildats i solsystemets barndom då mängden stenar och planetembryon var stor.

Många kratrar indikerar att bältet som stod för byggmaterialet till planeterna var fullproppade med planetembryon, medan få kratrar tyder på att bältet var mer glest bebott.

I dag har inte astronomerna den sortens konkreta data, och när resultaten från sondens observationer förs in i modellerna för solsystemets utveckling kommer teorin att vila på en säkrare grund.

Sonden ska arbeta till 2030-talet

Eftersom Ultima Thule ligger cirka 6,5 miljarder kilometer bort kommer det att ta ungefär 21 månader innan hela den enorma datamängd som New Horizons samlar in om isklotet har nått astronomerna här på jorden. Forskargruppens ledare Sol Alan Stern räknar för närvarande med att de första resultaten kommer att publiceras i september 2021.

New Horizons är den femte farkosten som har korsat Neptunus bana och nått ända ut till Kuiperbältet.

Redan 1983 passerade Nasas sond Pioneer 10, som skickades upp 1972, gasjätten. Sedan dess har Pioneer 11 och de två Voyagersonderna följt efter. Pioneer-sonderna skickade hem den sista informationen 2003 men forskarna har fortfarande kontakt med Voyagersonderna.

Den mest avlägsna, Voyager 1, är nu 21 miljarder kilometer från jorden och blev 2012 det första människoskapade objektet som korsade heliopausen.

Det är solsystemets gräns till den interstellära rymden, som definieras av att mängden partiklar från solen är mindre än partiklar utifrån.

drygt

© NASA/JPL-Caltech

Samtliga sonder som tidigare har färdats långt in i Kuiperbältet skickades i väg långt innan dess existens bekräftades 1992, och därför är instrumenten inte framtagna för att undersöka det.

De båda Voyagersondernas kameror är exempelvis inte tillräckligt känsliga för att navigera en nära förbiflygning av de små kloten. New Horizons partikeldetektorer är dessutom mycket mer känsliga och sonden är också utrustade med en stoftsamlare.

På sin fortsatta färd ska sonden utöver att observera flera isklot även avgöra mängden stoft och vätgaser för att mäta hur solvinden avtar. Enligt Stern ska New Horizons skicka hem data fram till mitten av 2030-talet, då bränslet tar slut, men sonden kommer att fortsätta i sin bana och korsa gränsen till den interstellära rymden omkring år 2040.