Проект "Новые Горизонты" (New Horizons)

Проект "New Horizons"- автоматическая межпланетная станция, созданная NASA для изучения Плутона, его естественного спутника Харона и при благополучном исходе - продолжить исследования в области пояса Койпера.

Запуск осуществлён 19 января 2006 года, аппарат выполнил пролёт Юпитера (с гравитационным манёвром в его поле тяготения) в 2007 году, выполнил исследования Плутона в 2015 году, 1 января 2019 года совершил пролёт мимо транснептунового астероида 2014 MU69 из пояса Койпера. Полная программа исследований «Новых горизонтов» рассчитана на 15—17 лет.

В настоящее время мало кто из ученых сомневается в том, что Плутон является классическим объектом пояса Койпера и к "классическим планетам" Солнечной системы не относится. Тем не менее, New Horizons стартовал в 2006 году к Плутону, как к девятой планете Солнечной системы. На тот момент у Плутона давно было известно о существовании большого спутника Харон и ещё о двух меньших спутников, обнаруженных в 2005 году. А когда New Horizons был уже в пути, то у Плутона были обнаружены ещё два других малых спутника. А сам Плутон был переклассифицирован в "карликовые планеты".

К изучению дальней периферии Солнечной системы - объектами, расположенными за орбитой Нептуна (транснептуновыми) - человечество начинает приступать только сейчас. Эта область изобилует множеством массивных тел округлой формы, движущихся по самым неожиданным траекториям и зачастую имеющих собственных спутников. Объяснить подобное разнообразие пояса Койпера современные теории не в состоянии.

Область Солнечной системы, которую мы сегодня называем "поясом Койпера", была идентифицирована в качестве определенного элемента Солнечной системы в 1940-е годы независимо ирландским экономистом и астрономом Кеннетом Эджуортом (Kenneth Edgeworth) и американским астрономом Джерардом Койпером (Gerard Kuiper) - в 1951 году. Первый объект пояса Койпера (кроме комет) был обнаружен в 1992 году, и к настоящему времени обнаружено уже несколько планет размером с Плутон или даже больше, обращающихся в самом дальнем регионе Солнечной системы. Детальное изучение вновь обследованных тел привело ученых к выводу, что как минимум десятая их часть имеют спутники.

В задачи межпланетной станции входит:
- картографирование поверхности Плутона и Харона;
- исследование геологии и морфологии Плутона и Харона;
- исследование атмосферы Плутона и её рассеяния в окружающее пространство;
- поиск атмосферы у Харона;
- построение карты температур поверхности Плутона и Харона;
- поиск колец и новых спутников Плутона;
- исследование объектов пояса Койпера.

19 января 2006 года в 19:00 UTC с космодрома "Мыс Канаверал" осуществлен пуск ракеты-носителя Atlas-5/551 (AV-010) с разгонным блоком Centaur-3/SEC и межпланетной станцией "New Horizons" на борту.
Масса межпланетной станции — 478 кг, включая 77 кг топлива. Размеры: 2,2*2,7*3,2 метра.
В качестве источника электроэнергии был взят радиоизотопный генератор. На старте его электрическая мощность составляла 250 Вт, и согласно прогнозам, она будет падать на 5 % каждые четыре года, что обеспечит мощность в 200 Вт в 2015 году, во время основного этапа всей исследовательской программы — пролёта системы Плутон—Харон. Это гораздо меньше мощности у «Вояджеров» (470 Вт на старте, 290 Вт в 2006 году); этим объясняется меньшая длительность программы, которую планируется завершить в 2020-х годах, когда аппарат пройдёт 50—55 а.е.
РИТЭГ содержит около 11 кг радиоактивного топлива в виде 72 таблеток оксида плутония-238.
Для запуска использовалась американская ракета-носитель Атлас-5 с установленным на ней российским двигателем РД-180. Ракета общей массой 2600 кг была изготовлена специалистами компании Lockheed Martin Space Systems.

На New Horizons установлены научные приборы:
- ультрафиолетовый спектрометр Alice, который будет изучать состав атмосферы и структуру поверхности Плутона;
- обзорная фотокамера Ralph, работающая в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн;
- камера LORRI (Long-Range Reconnaissance Imager) с разрешением в 5 микрорадиан для детальной съёмки и съёмки с большого расстояния;
- измеритель параметров частиц солнечного ветра SWAP (Solar Wind Analyzer for Pluto). С его помощью планируется определить, есть ли у Плутона магнитосфера, а также установить скорость утечки его атмосферы;
- спектрометр энергетических частиц PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) для поиска нейтральных атомов, покидающих атмосферу Плутона и превращающихся в заряженные частицы при взаимодействии с солнечным ветром;
- детектор пыли VB-SDC (Venetia Burney Student Dust Counter) для измерения концентрации пылевых частиц в поясе Койпера;
радиоспектрометр REX (Radio EXperiment), объединённый с основной антенной зонда (с его помощью планируется исследовать структуру атмосферы Плутона, тепловые свойства его поверхности и измерять массу Плутона, Харона и ещё не выбранных объектов пояса Койпера).
а также - радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), узконаправленная антенна, широконаправленная антенна, всенаправленная антенна, двигатели коррекции и звёздные датчики.
Бортовые вычислители построены на основе процессора Mongoose-V с архитектурой MIPS, который является радиационно-стойкой версией процессора R3000 и работает на частоте 12 МГц. Для хранения научной информации применены два банка флеш-памяти (основной и запасной) объёмом по 8 Гбайт.
Скорость передачи данных от орбиты Плутона (с расстояния в 4,5 млрд км) составлет не более 2000 бит/с и после пролёта Плутона собранные 6 Гбайт научных данных передавались на Землю более года.

New Horizons покинул окрестности Земли с самой большой из всех космических аппаратов скоростью -в момент выключения двигателей она составила 16,26 км/с. Гелиоцентрическая скорость составила 45 км/с, что даже без гравитационного манёвра около Юпитера позволила бы станции покинуть Солнечную систему.
В начале 2007 года New Horizons совершил гравитационный манёвр на расстоянии 2,305 млн км от Юпитера. Во время пролёта Юпитера получены фотографии планеты и её спутников: Ио, Европы, Ганимед и Каллисто.
В январе 2015 года начали регулярные наблюдения за Плутонов, по мере приближения New Horizons к этой системе. В этот момент гелиоцентрическая скорость New Horizons составляла около 14,5 км/с (в то время как у «Вояджера-1» эта скорость составляла 17,012 км/с, который набрал большую скорость за счёт дополнительного гравитационного манёвра у Сатурна).
5 мая 2015 года — разрешение изображений Плутона с «Новых горизонтов» превысило разрешение лучших снимков объекта, полученных космическим телескопом «Хаббл». Весь научный мир припал к экранам и начал мониторить сайт НАСА, посвящённый экспедиции New Horizons.
30 июня 2015 — «Новыми горизонтами» с помощью прибора Ralph подтверждено наличие на Плутоне метанового льда, открытого ещё в 1976 году на обсерватории Китт-Пик.

14 июля 2015 года (около 11:50 UTC) New Horizons совершил пролёт на расстоянии около 12,5 тысяч километров от поверхности Плутона. Аппарат проводил наблюдения 9 дней.
20 июля 2015 года завершилась передача на Землю первого пакета изображений системы Плутона с пролётной траектории. 25 октября 2016 года — завершена передача на Землю научных данных (всего 6.25 Гбайт информации), собранных во время пролёта Плутона.

28 августа 2015 года — группа управления NASA сделала выбор следующей цели миссии New Horizons. Это объект пояса Койпера - (486958) 2014 MU69.
Из-за ограниченного запаса топлива любые коррекции траектории New Horizons после пролёта Плутона были возможны лишь в небольшом диапазоне (примерно 1 градус). На момент запуска аппарата известных объектов-целей не было. Лишь в 2014 году с помощью телескопа «Хаббл» удалось найти 3 подходящих астероида:
- 2014 MU69 (1110113Y), вероятность достижимости 100 %, потребовалось бы около 35 % доступного топлива;
2014 PN70 (G12000JZ, PT3), вероятность достижимости 97 %, потребовалось бы почти всё топливо (размеры этого объекта примерно в 2 раза больше, чем размеры 2014 MU69);
- 2014 OS393 (E31007AI, PT2) — вероятность достижимости 7 %. Последние две цели были отклонены.

Во время полёта к объекту 2014 MU69 New Horizons провёл съёмки ещё нескольких небесных тел.
2 ноября 2015 года съёмка астероида (15810) 1994 JR1 (в январе 2017 года получившего название Араун) с расстояния в 274 млн км. В 2012 году предполагалось, что 15810 Араун может быть квази-спутником Плутона при определенном типе совместной конфигурации орбит. В соответствии с этой гипотезой, объект 15810 будет являться квази-спутником Плутона около 350 000 лет из каждых двух миллионов лет. Эта гипотеза была опровергнута в 2016 году, когда более точные наблюдения положения Aраун поступили от New Horizons.
7—8 апреля 2016 года — съёмка астероида (15810) 1994 JR1 с расстояния в 111 млн км (0,74 а.е.).
13—14 июля 2016 года — съёмка транснептунового объекта (50000) Квавар с расстояния в 14 а.е., а также галактик IC 1048 и UGC 09485.

В январе 2019 года намечен пролёт New Horizons вблизи объекта пояса Койпера 2014 MU69 на расстоянии 43,4 а.е. от Солнца.

Основными результатами пролёта системы Плутон-Харон в июле 2015 года было картографирование небесных тел, сбор данных по уточнению их характеристик и множество фотографий поверхности с разрешением 40 км. Ведь New Horizons пролетел в в 12 500 км от Плутона и как 28 800 км от Харона. Центр масс системы Плутон — Харон находится вне Плутона и вращение системы взаимно синхронизировано вокруг этого общего центра масс. В 2015 году на основе данных системы LORRI New Horizons было получено значение диаметра Плутона 2374 ± 8 км, а позднее уточнено по данным системы REX 2379.8±0.4 км

Поверхность Плутона очень неоднородна. Альбедо разных участков его поверхности варьирует от 10 до 70 %, что делает его вторым по контрастности объектом Солнечной системы после Япета.
Эта неоднородность приводит к периодическому изменению при вращении Плутона его блеска (переменность достигает 0,3m — 30 %) и спектра. Последнее дало возможность узнать, что азота и монооксида углерода больше на стороне, обращённой от Харона (180 в.д.), а метана больше всего в окрестностях 300 в.д.
Цвет Плутона варьируется от серо-черного, до темно-оранжевого и белого. Плутон цветом больше похож на Ио с чуть более оранжевый и значительно менее красный, чем Марс New Horizons обнаружела на Плутоне обширную светлая зона в форме символа сердца (равнина Спутника и регион Томбо) размером 1800*1500 км; в экваториальной зоне — резко возвышающиеся над в целом сглаженной ледяной поверхностью 3,5-километровые горы, состоящие, предположительно, из водяного льда, и много других деталей поверхности.

Самый примечательный геологический объект, обнаруженный на Плутоне, — равнина Спутника. Это впадина размером больше 1000 км, занимающая 5 % его поверхности, — вероятно, сильно разрушенный ударный кратер. Она заполнена замёрзшими газами (в основном азотом) и пересечена множеством борозд, которые делят её на ячейки размером в десятки километров. Их интерпретируют как результат конвекции в текучем азотном льде. Водяной же лёд при температурах Плутона очень прочный; по-видимому, именно из него состоят окружающие равнину горы высотой до 5 км. Он легче азотного и может образовывать плавающие в нём айсберги. Вероятно, такими айсбергами и являются мелкие тёмные холмы, которых немало в упомянутых бороздах. Предполагается, что подобные мелкие блоки водяного льда под действием конвекции могут плавать по всей равнине, тогда как большие — угловатые горы, расположенные по её краям, — лишь немного смещаются и поворачиваются (судя по их виду, они могут быть фрагментами когда-то целостного покрова).
Наблюдаются явные признаки ледниковых потоков в и из равнины Спутника.

Плотность Плутона составляет 1,860 ± 0,013 г/см3. Вероятно, его недра на 50—70 % состоят из камня и на 50—30 % — изо льда, в основном водяного. Если тепла от распада радиоактивных элементов хватило на отделение льда от камня, то недра Плутона дифференцированы — плотное каменное ядро окружено мантией изо льда, толщина которой составляет около 300 км. Не исключено, что этого тепла хватило и на создание под поверхностью океана жидкой воды. При её замерзании могли появиться наблюдаемые следы растяжения поверхности — грабены и уступы.
Спектральные данные показывают, что водяной лёд есть и на поверхности Плутона, но его по большей части маскирует покров из более летучих льдов, в основном азотного (97—98 %). Кроме того, обнаружены замёрзшие метан (по разным оценкам, 1,5 или 3 %) и монооксид углерода (0,01 или 0,5 %), а также примеси других соединений (в основном образующихся из метана и азота под действием жёсткого излучения). Это, в частности, этан и, вероятно, более сложные углеводороды или нитрилы, а также толины, придающие Плутону (как и некоторым другим далёким от Солнца телам) коричневатый цвет. Среди перечисленных веществ азот, монооксид углерода и, в меньшей степени, метан отличаются существенной летучестью в условиях Плутона и способны к сезонным перемещениям по поверхности.

Атмосфера Плутона была обнаружена в 1985 году при наблюдении покрытия им звезды. Если у покрывающего объекта нет атмосферы, свет звезды исчезает довольно резко, а в случае с Плутоном — постепенно. Окончательно наличие атмосферы было подтверждено в 1988 году интенсивными наблюдениями нового покрытия.

В 2015 году измерения зонда New Horizons показали, что поверхностное давление составляет около 10–5 атм (1 Па).

Атмосфера Плутона очень разрежена и состоит из газов, испаряющихся из поверхностного льда. Это азот с примесью метана (около 0,25 %) и угарного газа (около 0,05–0,1%). Под действием жёсткого излучения из них образуются более сложные соединения (например, этан, этилен и ацетилен), постепенно выпадающие на поверхность. Вероятно, именно их частицы образуют лёгкую слоистую дымку, достигающую высот >200 км.

Давление атмосферы Плутона очень мало и сильно меняется со временем, причём неожиданным образом. Из-за эксцентричности орбиты в афелии Плутон получает почти втрое меньше тепла, чем в перигелии, и это должно приводить к сильным изменениям в его атмосфере. По некоторым прогнозам, в афелии она большей частью замерзает и выпадает на поверхность, а её давление уменьшается во много раз. Но наблюдения покрытий Плутоном звёзд показывают, что с 1988 до 2015 года это давление выросло примерно втрое, хотя с 1989 года Плутон удаляется от Солнца. Вероятно, это связано с тем, что в 1987 году северный (точнее, положительный) полюс Плутона впервые за 124 года вышел из тени, что способствовало испарению азота из полярной шапки.

Температура поверхности Плутона растёт с высотой (3–15 градусов на километр). Средняя температура поверхности 50 К (-223,15 Ц), а средняя по атмосфере — на 40 градусов больше (данные 2008 года). Это результат парникового эффекта, вызванного метаном. Взаимодействие с атмосферой существенно влияет на температуру поверхности Плутона. Расчёты показывают, что она, несмотря на очень низкое давление, способна эффективно сглаживать суточные перепады этой температуры. Участки поверхности, где возгоняется азотный лёд, охлаждаются (подобно охлаждению при испарении воды) на величину до 20 градусов.

По данным New Horizons был уточнён диаметр Харона - 1212 ± 6 км и его плотность — 1,702 ± 0,021 г/см3, что ненамного меньше, чем у Плутона.
Харон заметно темнее Плутона. В то время как на поверхности Плутона много азотного льда, Харон покрыт водяным льдом, и его поверхность имеет более нейтральный (менее красноватый) цвет. В настоящее время полагают, что система Плутон — Харон образовалась в результате столкновения независимо сформировавшихся Плутона и прото-Харона; современный Харон образовался из осколков, выброшенных на орбиту вокруг Плутона; при этом также могли образоваться некоторые объекты пояса Койпера.

Согласно некоторым моделям, Харон может быть геологически активен вплоть до наличия жидкости под поверхностью. Это обосновывается тем, что спектральный анализ показывает наличие гидратов аммиака, в то время как под действием солнечных и космических лучей гидраты аммиака на поверхности Харона должны разлагаться за астрономически короткий срок. С 2007 года на основании наблюдений обсерватории Джемини выдвигались гипотезы о криовулканизме на Хароне. В июне 2014 года группа учёных под руководством Алисы Роден, изучив форму орбиты Харона, предположила, что в прошлом на Хароне имелся подземный океан.
New Horizons обнаружили масштабные следы активного геологического прошлого Харона. В Южном полушарии кратеров меньше и поверхность его значительно менее прочная. Эта "шлифовка" возможно произошла из-за движений подземного океана. В настоящее время частично или полностью замерзшего.

В Северной полярной области преобладают очень большие темные области, которые неофициально назвали "Мордором". Предполагаются, что они образуются путем конденсации газов, которые "сбежали" из атмосферы Плутона. Зимой, когда температура поверхности опускается до -258 градусов, и эти газы конденсируются в твердые формы. Когда эти льды подвергаются воздействию солнечной радиации, они вступают в химическую реакцию с образованием различных красноватых органических соединений (СхHyNz). Позже, когда территория снова нагревается Cолнцем (летом температура на полюсе Харона поднимается до -213 градусов), летучие вещества сублимируются, улетают от Харона, оставив только СхHyNz. На протяжении миллионов лет остающиеся органические соединения накапливаются толстым слоем в районе полюса и покрываются ледяной коркой.
Атмосфера у Харона практически отсутствует (давление менее 11 мПа).

New Horizons не нашли новых спутников у Плутона, передав фотографии и уточнив данные по всем пяти имеющимся.

Также New Horizons не обнаружили следов колец у Плутона, предположение существовании которых в 2006 году выдвигалось группой американских учёных под руководством Алана Стерна (Alan Stern).

После пролёта системы Плутон-Харон станция New Horizons была направлена к другому объекту пояса Койпера, открытому только в 2014 году с помощью телескопа Хаббл - астеройду (486958) 2014 MU69. Пролёт станции мимо этого небольшого транснептунового объекта (диаметром около 30 км и очень вытянутого в длину) запланирован на 1 января 2019 года. Период обращения (486958) 2014 MU69 вокруг Солнца составляет около 295 лет.

1 января 2019 года станция New Horizons пролетела вблизи объекта пояса Койпера (486958) 2014 MU69 на расстоянии 6,5 млрд км (43,4 а.е. от Солнца). Это более 1 млрд км от орбиты Плутона. 2014 MU69 стал самым далёким от Солнца объектом, посещённый земным зондом.

Задачи исследований:
- Картирование поверхности, чтобы узнать, как она формируется и развивается;
- Измерение температуры поверхности;
- Сопоставление механизма формирования поверхности, чтобы узнать, похож и отличается от таких как кометы 67P/Чурюмова–Герасименко и карликовых планет, таких как Плутон;
- Поиск любых признаков активности, таких как облачная кома;
- Поиск и изучение любых спутников или колец;
- Измерение или уточнение массы объекта.

2014 MU69 является классическим объектом пояса Койпера, обращаясь по относительно близкой к плоскости эклиптики (наклонение — 2,451 градусов) и слабоэллиптической (эксцентриситет - 0,0448) орбите на расстоянии около 44 а.е. от Солнца; орбитальный период составляет чуть больше 293 лет.
Размер объекта первоначально оценён исходя из предположений в 30-45 км.
Анализ покрытия астероидом 2014 MU69 трёх звёзд в 2017 году показал, что он, вероятно, является либо экстремально вытянутым сфероидом, либо парой из двух астероидов диаметров по 15-20 км каждый.
Фотоснимки New Horizons показали, что это контактный двойной объект с размерами примерно 32 на 16 км.

На снимке от 1 января 2019 года с расстояния 137 тыс. км объект похож на "красноватого снеговика". А на снимках за 30 минут перед точкой наименьшего сближения с расстояния 28000 км видно, что астероид (486958) 2014 MU69 представляет две соединённые между собой сферы.

Планируемое продолжение миссии:
- январь 2019 года — наблюдение 2014 OS393 с расстояния 0,09-0,15 а.е.
- март 2019 года — наблюдение 2014 PN70 с расстояния 0,1-0,2 а.е.
- 2026 год — ожидаемое окончание программы исследований по условию выработки изотопного источника.
- 2038 год — аппарат достигнет 100 а.е. от Солнца.

Возможен пролёт New Horizons вблизи ещё каких-либо объектов пояса Койпера, если таковые найдутся.