A NASA New Horizons űrszonda missziója a 2015-ben végrehajtott sikeres Pluto küldetése után most egy újabb mérföldkőhöz érkezik a külső Naprendszer kutatásában: az útitervnek megfelelően a Kuiper-övben egy kis égitest közvetlen közelében fog elrepülni újév napján. Ezzel a 2014 MU69, ideiglenes elnevezéssel Ultima Thule lesz az eddigi legtávolabbi kis égitest, amit a tudomány történetében közelről fog űrszonda tanulmányozni.
A Neptunuszon-túli objektumok, így a Kupier-öv őseredeti jeges égitestjeinek vizsgálata közelebb visz a Naprendszer kialakulásának megismeréséhez, illetve más csillagok körüli hasonló övezetek kialakulásának és fejlődésének tanulmányozásához, a közöttük levő hasonlóságok és eltérések feltárásához, megértéséhez. Azért is fontos a Kuiper-öv megismerése, mert a rövid keringési idejű üstökösök forrás égitestjei, amelyek egy része hozzájárulhatott a földi és más bolygók vízkészletéhez, esetleg az élethez szükséges építőanyagokhoz is. A NASA New Frontiers programja keretében 2006. január 19-én útnak indított New Horizons (röviden NH) űrszondája (lásd Természet Világa 2006/2.) elsődleges célkitűzése a Plútó bolygó (ékezetekkel) meglátogatása volt, ami sikeresen meg is valósult 2015-ben (lásd Természet Világa 2015/9., 2017/3.). Mint ismeretes, 2006 augusztusában a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) prágai közgyűlésének határozata alapján a Pluto (ékezetek nélkül) a törpebolygók közé lett átsorolva (lásd Természet Világa 2006/10.) és ennek megfelelően kisbolygó jelölése lett: (134341) Pluto. Ez a tény azonban nem változtatta meg a New Horizons úttörő küldetésének értékét, sőt a Pluto és holdjainak első közeli vizsgálata egyben a Naprendszer külső kisbolygó övezetének, a Kuiper-öv objektumoknak első részletes tanulmányozását tette lehetővé. Visszatekintve, a Plútó-űrszonda küldésének gondolata 1992-ben vetődött fel és ekkor született meg a Pluto Express program. Ezzel egy időben David Jewitt és Jane Luu a hawaii szigeteki Mauna Kea Obszervatóriumban felfedezték az első Kuiper-öv objektumot, amelynek ideiglenes jelölése 1992 QB1 lett és ezután egyre több és több kis égitest megtalálását jelentették be ők és mások is a Neptunuszon-túli övezetben. Természetes felvetés volt, hogy a Plútó meglátogatása után a szonda a pályája közelében levő egy vagy több Kuiper-öv objektumot közelről is meglátogasson, elrepüljön mellette. A program és szonda neve többször is megváltozott, de az elnevezések utaltak a Kuiper-öv vizsgálatára irányuló program részre is: Pluto-Kuiper Belt Express, Pluto-Kuiper Belt Mission, Kuiper Belt Pluto Express, majd végül a ma használatos New Horizons elnevezése lett.
Rövidítések
Long Range Reconnaisance Imager (LORRI): látható tartományban működő, nagy felbontású CCD kamera 20,8 cm-es apertúrával és 1024 x 1024 pixeles monokromatikus CCD érzékelővel. A felbontás nagyjából 1”. A CCD-t egy passzív radiátor tartja hidegen a szonda árnyékos oldalán.
Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI): Két műszert tartalmaz. Az egyik a 6 cm apertúrájú Ralph-teleszkóp két különálló csatornával: egy látható tartományban működő CCD kamera és egy közeli infravörös képalkotó spektrométer. A másik műszer az Alice ultraibolya képalkotó spektrométer. Az Alice egyébként az ESA Rosetta űrszonda hasonló nevű műszerének tökéletesített változata.
Plasma and high energy particle spectrometer suite (PAM): Két műszer alkotja: a SWAP 7,5 kiloelektronvoltig méri a Pluto körüli részecskéket, a PEPSSI pedig 1 MeV-ig.
Radio Science Experiment (REX): ultrastabil oszcillátor és kiegészítő elektronika a rádiótudományi vizsgálatokhoz. Tekintettel a nagy távolságra, a parabolaantenna 2,1 méter átmérőjű.
Venetia Burney Student Dust Counter (VBSDC vagy SDC): porméréseket végez. Két részből áll: egy 460 × 300 mm-es detektor a szonda árnyékos oldalán és egy elektronikai doboz a szonda belsejében. Az effektív gyűjtőterület 0,125 m². Eddig még nem végeztek porméréseket az Uránusz pályáján túl.
A 454 kg-os, hét tudományos műszerrel felszerelt szondát (1. ábra) az orosz gyártmányú végfokozat minden idők leggyorsabb űrszondájává tette: 9 órával a 2006. január 19-i indítás után átszelte a Hold pályáját (erre az Apollo űrhajósainak három napra volt szükségük), s az óránkénti 58 ezer km-es sebességének köszönhetően 2006. április 7-én, mindössze 78 nappal az indítás után, a Marsnál is távolabb került a Naptól. Ekkor sebessége már 70 ezer km/h volt. A szonda műszerei rendben működtek a Plutoval és holdjaival való találkozás alatt, és azt követően is. Kisbolygóra is már ki lett próbálva a Ralph-teleszkóp, amikor a szonda még úton a Jupiter felé 2006. június 13-án 101867 km távolságban elhaladt a főövben az (132524) APL kisbolygó közelében és felvételeket is készített róla. Az aszteroida már ismert volt, ugyanis 2002-ben fedezték fel, de a szonda pályáját nem lehetett módosítani, hogy közelebb repüljön el a kisbolygóhoz. A New Horizons megfigyelései szerint az aszteroida mintegy 2,3-2,5 km-es átmérőjű. Elsődleges úti célja, a Pluto 2015. július 14-i sikeres meglátogatása után a New Horizons szonda programját 2021. április 30-ig meghosszabbították egy, vagy esetleg több Kuiper-öv objektum közelében való elrepülés céljából. Ez a program lett a NH szonda kiterjesztett küldetése, a Kuiper Belt Extended Mission (KEM). A szonda útja mentén csak olyan Kuiper-öv objektum érhető el, amely a pályája Plutonál lévő pályabeli sebesség irányától egy fokos kúpszögön belül van és a szonda pályamódosításaihoz rendelkezésre álló 33 kg hidrazin hajtóanyag elegendő egy, esetleg több égitest eléréséhez. A NH űrszondát irányító kutató és mérnök csapat óriási kihívással szembesült, mert az addig ismert Kuiper-öv objektumok egyikét sem tudták volna elérni. Ráadásul az új célégitestnek 55 CSE-nél közelebb kell lenni a találkozáskor, mert a rádió összeköttetéskor a kommunikációs jelek túl gyengék lennének, illetve a radioizotópos termoelektromos generátor (RTG) annyira legyengülne, hogy az nem biztosítaná a műszerek működését. Ugyanis az RTG teljesítménye évente 5%-kal csökken (indulásakor 240 wattról indult). Ezek a feltételek sajnos kizárták a Pluto után második legnagyobb törpebolygó, az Eris meglátogatását. További feltétel, hogy a meglátogatandó égitest legalább 50 km méretű legyen és lehetőleg a Naphoz képest semleges (szürke) színű, hogy a már megismert vöröses színű Pluto felszínével összehasonlítható legyen az eltérések és hasonlóságok feltérképezése céljából. A Kuiper-öv objektumok kialakulása és fejlődése szempontjából az is érdekes lenne, ha a kiválasztott kisbolygó ráadásul egy kettős aszteroida lenne.
Csak nagy földi távcsövek, mint a 6,5 méteres Magellán Teleszkóp (Las Campanas Obszervatórium, Chile), a japán 8,2 méteres Subaru és a Kanadai-Hawaii-Francia Teleszkóp (Mauna Kea, Hawaii), illetve a Hubble-űrtávcső (HST) voltak alkalmasak a NH szonda számára alkalmas Kuiper-öv objektumot találni. A nagyszabású keresés 2011-ben indult meg. Érdekesség, hogy a közzétett felvételeken a közönség is kereshetett addig ismeretlen Kuiper-öv objektumokat az „Ice Hunters” (Jégvadászok) projekt keretében. A keresés során a földi távcsövekkel 143 új Kuiper-öv objektumot fedeztek fel, de egyik sem volt alkalmas a NH szonda számára. A HST-re garantált rendkívüli távcsőidő azonban 2014. június 14-én sikert hozott: öt lehetséges cél objektumot (Potential Target, PT1, -2, -3, -4 és -5). A legbiztosabban a mintegy 30-45 km-es méretű PT1 (2. ábra) érhető el, ezért ez lett a kiválasztott célpont (lásd Természet Világa 2015/11.). Később a kisbolygó hivatalos elnevezése (486958) 2014 MU69 lett, de 2018. március 13-án egy internetes névadó szavazás után egy még nem hivatalos „becenevet”is kapott: Ultima Thule („Legtávolabbi sziget”). A régi hajósok az általuk aktuálisan ismert vagy feltételezett legtávolabbi – egyébként jeges – szigetet nevezték így (pl. Feröer-szigetek, majd Spitzbergák és Grönland, stb.), ami jó analógia a Neptunuszon-túli távoli világ, mint a Kuiper-öv jeges égitestjei számára. A 2014 MU69 a körtől csak kis mértékben eltérő ellipszispályán kering a Nap körül. A pálya excentricitása 0,044, a fél-nagytengelye 44,1 CSE, napközelben 42,1 CSE-re közelíti meg központi csillagunkat és naptávolban 46,1 CSE-re távolodik tőle. A pályasíkja 2,45 fokos szöget zár be a földpálya síkjával. Napkörüli keringési ideje mintegy 293 év (összehasonlításul: a Neptunusz 165 év, a Plútó 248 év alatt kerüli meg központi csillagunkat). A pályája alapján a 2014 MU69 a klasszikus Kuiper-öv dinamikailag „hideg” objektumai közé tartozik, ami azt jelenti, hogy a Neptunusszal nem áll középmozgás-rezonanciában, a pályája nem elnyújtott és perturbációk (zavaró hatások) dinamikailag nem „gerjesztették”, nem emelték ki a földpálya síkja közeléből (3. ábra). Amit a 2014 MU69 fizikai tulajdonságairól megtudhattunk, azt csak földi távcsövekkel és a HST-vel történt megfigyelések tették lehetővé. A kis égitest méretére vonatkozó első becslések a geometriai albedó (a felszín fényvisszaverő képessége) feltételezésével, a napés földtávolság ismeretében történtek. A Kuiper-öv objektumok többségére lehetséges albedó 0,04-0,15 lehet, ekkor az égitest 25-45 km közötti. Nagyjából hasonló a mérete a nagyobb üstökösmagokhoz, a Szaturnusz Helene holdjához, vagy a főöv kis-közepes kisbolygóihoz, de jóval nagyobb, mint például a Rosetta űrszonda üstökösének, a 67P/Churyumov-Gerasimenko magjának a mérete (4. és 5. ábra). A HST megfigyelések szerint a 2014 MU69 a Pluto felszínénél vörösebb színű, ami ősi és üstökösszerű kigázosodást nem mutató felszínre utal. Előzetes számítások szerint a nagy naptávolság miatt a kisbolygó átlagos felszíni hőmérséklete csak mintegy 35 K körül lehet.
A HST pontos fotometriai megfigyeléseket végzett 2017. június 25. és július 4. között. A fényváltozás minimum-maximum közötti amplitúdója legfeljebb csak 20%, ami vagy egy forgó, gömb alakhoz közeli „tömzsi” kis égitestre utal, amelynél a tengelyek aránya legfeljebb 1,14 lehet vagy pedig egy elnyújtott, akár szabálytalan alakú forgó testre, amelyre a forgástengelye irányából látunk, és ezért nem mutat jelentős fényváltozást. A kis amplitúdó miatt nem lehetett pontosan meghatározni a test forgási periódusát sem. (Kis amplitúdó úgy is lehetséges, hogy nagyon lassan forog egy elnyújtott test és a megfigyelések csak a forgásidőhöz képest egy rövidebb időtartamot fognak át, de a HST hosszabb időszakot átfogó megfigyelései ezt a lehetőséget kizárják.) Az elnyújtott alakot a 2017 júniusában, július 10-én és 17-én bekövetkezett három csillagfedés megfigyelései is megerősítik. A HST keresett esetleges kísérő holdakat is, de ha van ilyen akkor az 29 magnitúdónál halványabb. Miért hasznos a csillagfedés megfigyelése? Egy Naprendszerbeli égitest a távoli csillagok előtt mozogva időnként elfed egyet, ezt a jelenséget csillagfedésnek vagy okkultációnak nevezzük. Az objektum a megfigyelőt és a csillagot összekötő egyenesre esik, így rövid ideig kitakarja a csillag fényét. A kis égitest méretétől és alakjától függően a fedés ideje különböző lesz aszerint, hogy a test látóirányra merőleges vetülete, és az annak peremén lévő csillag belépési és kilépési pontjait összekötő húr milyen hosszú. A kisbolygók, köztük a Kuiper-öv objektumok általi csillagfedések a Földön csak egy keskeny, legfeljebb néhány száz km széles sávban figyelhetők meg. A több helyről történt megfigyelések, illetve a rövid időn (néhány hónapon) belül történt fedések megfigyelése alatt a Kuiper-öv objektum sziluettje csak a tengelykörüli forgása miatt lehet más (a rálátási geometria nem változik lényegesen), ezért a több helyről megfigyelt több fedés a kis égitest alakjára és méretére ad következtetést. A fedések megfigyeléséből esetleges törmelékfelhő, gyűrű, kísérő hold, sőt gáz- vagy porkóma, illetve nagyobb égitestnél légkör jelenléte is kimutatható távolról. A 2017. július 10-i csillagfedést a Csendes-óceán felett a NASA SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) program keretében egy Boeing 747SP repülőgép fedélzetén levő infravörös teleszkóppal is sikerült megfigyelni és az is kiderült, hogy a 2014 MU69 körül nincs kimutatható por- vagy törmelékfelhő. A megfigyelési adatok feldolgozása során felmerült egy kis méretű holdnak a lehetősége, ami mintegy 200-300 km-re van a nagyobbik komponenstől, de július 17-e után kiderült, hogy szoftverhiba következménye a felvetés.
A 2017. július 17-i fedést a HST nem figyelhette meg, mert nem haladt át a fedési sávon, de a 2014 MU69 körüli törmelékfelhő, illetve esetleges holdak után kutatott a kisbolygó Hill-szférájában (ahol stabil pályán keringhet törmelék vagy hold), az égitesttől számított 75 ezer km-es sugarú térségben, de nem talált semmit. Ezt a fedést a láthatósági sávba eső nagy földi teleszkópok mellett kis távcsövekből álló hálózattal is megfigyelték. A vizsgálat nagyon fontos új eredményhez vezetett, amit a fedési húrok által kirajzolt sziluett jól mutat: a 2014 MU69 vagy egy elnyújtott alakú egy tömbből álló test vagy egy érintkező kettős kisbolygó, vagy pedig egy egymáshoz közeli összetevőkből álló szeparált (elválasztott) kettős. A mérések szerint a két komponens egy 20 km-es és egy 18 km-es kis test (6. és 7. ábra). Bízunk benne, hogy a NH sikeresen elrepül az Ultima Thule közelében és az általa készített képek alapján ki lehet választani, hogy melyik előzetes modellhez áll a legközelebb a kis égitest valódi alakja. A 2014 MU69 2018-as láthatósága során három csillagfedése volt: július 16-án (Dél-Atlanti térség és Indiai-óceán), augusztus 4-én (Szenegál és Kolumbia), ennek megfigyelésére történt összehangolt megfigyelési kampány, illetve szeptember 6-án, amit a NASA észlelőcsoportja figyelt meg és a kisbolygó méret adatait sikerült megerősíteni. A HST a szeptemberi fedést nem figyelhette meg, de fontos kiegészítő méréseket végzett a kisbolygó körüli esetleges por- és törmelékfelhő kimutatására. A kis égitesttől 1600-20 ezer km-es tartományban nem volt mérhető fénycsökkenése a csillagnak, ami azt jelenti, nincs optikailag vastag por, törmelék vagy gyűrű az Ultima Thule körül. Ez nagyon jó hír a NH szondának, mert nem kell porszemcsék vagy törmelék ütközésétől tartani. A NH új küldetése (KEM) a 2014 MU69 elérése érdekében végrehajtott pályamódosításokkal 2015. október 22-én vette kezdetét, amit újabb pályamanőverek követtek október 25-én, 28-án és november 4-én. Az új programot, valamint az ezzel kapcsolatos költségvetést egyébként 2016. július 1-jén hagyták jóvá, de a szükséges pályakorrekciókat ettől függetlenül korábban meg kellett tenni. A NH űrszondát az energiaforrásával való takarékoskodás céljából 2017. december 21. és 2018. június 5. közötti időszakra hibernálták, vagyis csak a fedélzeti számítógép maradt működésben, ami hetente a szonda állapotát jelző paraméterekről rádiójelet küldött a Földre. A NH előre beprogramozott módon automatikusan „ébredt fel” 2018. június 5-én. Ahogy a szonda egyre közelebb került célpontjához, a LORRI kamera számára elérhetőre fényesedett és sikerült az első felvételeket elkészíteni róla (8. ábra) 2018. augusztus 6-án. 172 millió km (1,15 CSE) távolságból, az aszteroida fényessége mintegy 20 magnitúdó. (A Földről nézve csupán egy 26-27 magnitúdós halvány pont látszik).
A NH utolsó pályakorrekciós manővereit 2018. október 3. – december 2. közöttire tervezték, de december közepéig még lehetőség van a NH pályáját módosítani abban az esetben, ha addig a kisbolygó körül a szondára veszélyes por- vagy törmelékfelhőt, gyűrűt fedeznének fel a megközelítés során. Ez esetben távolabb repülne el a szonda a 2014 MU69-tól. A NH a tervek szerint 2019. január 1-jén magyar idő szerint 06:33-kor (05:33 UTC) kerül legközelebb, mintegy 3500 km-re célpontjához. A találkozás ideje a hajtóanyag felhasználás minimalizálása szempontja alapján lett meghatározva. A kisbolygó akkor 43,4 CSE távolságra lesz a Naptól, 44,2 CSE-re a Földtől és bolygónkról nézve a Sagittarius (Nyilas) csillagkép irányában látszik. A szonda és a kisbolygó találkozásakor a relatív sebesség 14,4 km másodpercenként. A rádiójelek a szondáról mintegy 6 óra alatt érkeznek meg a Földre. A szonda a kisbolygóhoz lényegesen közelebb fog elrepülni, mint a Plutonál történt, így a kis Kuiper-öv égitest felszínét 30-70 méteres felbontással fogja majd látni a LORRI kamera. Remélhetőleg az első közeli képek még újév napján megérkeznek a Földre, de az elrepülés során kapott sok kép és a műszerek mérési adatai 2019-2020 folyamán mintegy 18-21 hónap alatt érkeznek meg, hasonlóan, mint az a Pluto megközelítése után is történt. Az Ultima Thule és környezetének vizsgálata 2019. január 9-én ér majd véget, amikor a szonda a 3-tengelyre stabilizált módról a tengelykörüli forgási módra tér át. Az űrkutatás kezdeti időszakában az események kortársa, a nagy idők tanúja, Almár Iván a következő érdekes egybeesésre hívta fel a figyelmem: A NH – Ultima Thule elrepülés véletlenül éppen 60 évvel az első ember készítette holdrakéta startja után fog bekövetkezni. A Luna-1 küldetése valóban történel mi jelentőségű volt, hiszen ez volt az első elrepülés egy idegen égitest mellett. A január 2-i indulást követően a szonda január 4-én közelítette meg a Holdat. (És akkor ez volt a történelem legtávolabbi küldetése.) A NH fő tudományos célkitűzései a 2014 MU69 Ultima Thule és környezetének közeli vizsgálata idején: 1) a felszín feltérképezése, topográfiai és geológiai térkép készítése; 2) a kisbolygó 3D alakmodelljének elkészítése; 3) a felszíni hőmérséklet meghatározása; 4) esetleges üstökösaktivitás (kigázosodás, porkibocsátás) keresése, esetleges kóma vagy felszínközeli „köd” kimutatása; 5) holdak, kísérők, gyűrű keresése; 6) a kisbolygó tömegének becslése, átlagos sűrűségének meghatározása; 7) a kisbolygó környezetében a mágneses tér, valamint a részecskesugárzás mérése. Egyébként a NH a Pluto program után eddig is több, már ismert Kuiper-öv objektumot figyelt meg távolról, de közelebbről, mint a földi távcsövek, illetve olyan szögből, amely alatt a Földről nem lett volna lehetséges. Így a kis égitestek felszínének anyaga és szerkezete megismerhetővé válik. Ami a NH további sorsát illeti, tovább folytatja a külső Naprendszer vizsgálatát. A kameráival távolról figyeli meg a Kuiper-öv objektumait, visszanéz a kentaurok és az óriásbolygók felé is azok holdjait vizsgálva, a többi műszerével pedig a helioszféra sugárzási és mágneses terét méri. 2038-ban lesz 100 CSE-re a Naptól, ami a Voyager szondák mostani (2018) távolságainak felel meg, ez már a külső helioszféra és a csillagközi plazma közötti határvidék. (A Naprendszer határát az Oort-felhő külső széle jelenti mintegy 1,5 fényévre a Naptól.) A NH második lehetséges kiterjesztett küldetése a Kuiper-övben (KEM2 vagy EM2) 2022-2024-ben lenne 50-60 CSE naptávolság között, a harmadik (KEM3 vagy EM3) 2025-2026-ban 60-70 CSE között, míg a negyedik 2017-2035 ben és azon túl lenne 70-90 CSE és ennél is távolabbi szakaszon a külső Naprendszerben. A szondával a DSN (Deep Space Network) földi nagy rádióteleszkópok 200 CSE távolságig tudják tartani a kapcsolatot. Ezt a távolságot 2070-ben éri majd el, persze fedélzeti energiaellátása is jelentősen lecsökken addigra, de az elsődleges probléma a rádiókapcsolat, ami a távolság által behatárolt. Most mindenesetre izgalommal várjuk az első kis Kuiper-öv objektum, az Ultima Thule közeli meglátogatásának eredményeit a NH szondáról.
A cikk a Természet Világa 2018. decemberi (149. évf. 12. sz.) számában jelent meg.
