New Horizons stevent af op Kosmisch Verweggistan

Hoofddoel van de sonde was om de dwergplaneet Pluto en zijn vijf manen te onderzoeken tijdens een zes maanden durende passage in 2015. Dat deed New Horizons zo goed dat de missie direct werd uitgebreid.

In augustus 2015 werd het ijsobject 2014 MU69 aangewezen als de volgende bestemming in de Kuipergordel.

En inmiddels heeft New Horizons er 1,5 miljard kilometer op zitten. Met Pluto in zijn achteruitkijkspiegel heeft hij zijn bestemming al bijna bereikt: object 2014 MU69, ook wel Ultima Thule genoemd, wat ‘buitengrens’ betekent.

Ultima Thule wordt het verste object dat een sonde ooit heeft bezocht, en is ook een van de primitiefste hemellichamen.

Met zijn zeven instrumenten zal New Horizons niet alleen ontrafelen hoe de miljoenen kleine bollen in de uithoeken van het zonnestelsel eruitzien, maar ook hoe de vier buitenste planeten – Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus – destijds zijn ontstaan.

Pluto was de eerste halte

De Kuipergordel bestaat uit meer dan een miljoen objecten die om de zon draaien in een miljarden kilometers brede strook, nog voorbij Neptunus. Behalve kleine ijsbollen als Ultima Thule bevat de gordel ook op zijn minst vijf dwergplaneten zoals Pluto.

De reis naar Pluto, 5 miljard kilometer van de aarde vandaan, duurde 9,5 jaar en New Horizons was bijna de hele reis standby om energie en brandstof te besparen.

Vóór de missie was er weinig bekend over deze dwergplaneet. De astronomen wisten alleen dat Pluto vijf manen had, een ijle atmosfeer en een roodachtig oppervlak met ijs van bevroren methaan, stikstof en koolmonoxide. Maar nu weten ze heel wat meer.

De waarnemingen van New Horizons duurden zes maanden en toonden aan dat Pluto’s diameter 2376 kilometer bedroeg, 
47 kilometer groter dan verwacht.

De sonde zag ook bergen van 4,5 kilometer hoogte met methaanijs op de top, diepe kloven van honderden kilometers lang en gigantische gletsjers van bevroren stikstof.

De grootste, Spoetnik Planitia, is groter dan Frankrijk en uniek in het hele zonnestelsel. Deze gletsjer heeft geen inslagkraters, wat wil zeggen dat het ijs steeds aangroeit.

Pluto is tot verbazing van de wetenschappers geologisch nog steeds actief, en de kern van steen onder het ijs zal dan ook een warmtebron bevatten die het proces op gang houdt.

New Horizons leverde veel nieuwe kennis op over de vijf manen van Pluto.

De grootste, Charon, heeft geen atmosfeer, en aan oude inslagkraters is te zien dat de maan nu een dode klomp is zonder geologische activiteit.

Maar heel vroeger zorgde een enorme geologische activiteit op Charon voor grote ijsvlakten, gigantische kloven tot wel 13 kilometer diep en kilometershoge bergen.

De meest verrassende observatie is echter dat de noordpool bedekt is met een roodachtige ijskap van methaan en stikstof, gassen die in de loop der tijd uit Pluto moeten zijn ontsnapt en zijn bevroren tot de koude pool van de maan. Dat hebben astronomen nooit eerder waargenomen.

Volgens de wetenschappers is het hele systeem van Pluto en de vijf manen meer dan 4 miljard jaar geleden in het vroege zonnestelsel gevormd bij de botsing tussen twee grote planetesimalen: beginnetjes van planeten die tezelfdertijd ontstonden, en die een diameter hebben van slechts enkele meters tot een paar honderd kilometer.

Sonde onderzoekt 25 objecten
Al vóór de lancering in 2006 had NASA het plan om de 700 miljoen dollar dure sonde na het bezoek aan Pluto dieper de Kuipergordel in te sturen voor meer waarnemingen – als de instrumenten werkten en er brandstof over was.

Aan beide voorwaarden voldeed New Horizons, dus in 2016 werd definitief besloten om de missie te verlengen.

De voorbereiding begon in 2011, toen de onderzoekers met de Magellan-telescoop in Chili en de Subaru-telescoop op Hawaï op zoek gingen naar een geschikt ijsobject.

Het doelwit moest zich binnen 1 graad rond de baan van de sonde bevinden, zodat er niet te veel koersveranderingen en dus brandstof nodig waren.

143 potentiële bestemmingen werden geïdentificeerd, maar die vereisten te grote koerswijzigingen.

Pas toen het team observatietijd met de Hubble-telescoop kreeg, doken er drie goede kandidaten op – Potential Target 1, 2 en 3.

Eind 2015 viel de keuze op kandidaat 1, Ultima Thule, die het dichtst bij de baan van New Horizons lag.

Toen voor Ultima Thule werd gekozen, dachten de onderzoekers dat de ijsbol een diameter van 30 à 40 kilometer en de vorm van een pinda had, maar recente observaties vanaf de aarde duiden erop dat er mogelijk twee kleinere ijsbollen zijn die om elkaar heen draaien.

Daar komt pas uitsluitsel over wanneer de sonde de eerste foto’s naar de aarde stuurt.

Volgens plan passeert de sonde Ultima Thule vroeg op nieuwjaarsdag en op slechts 3500 kilometer afstand: een derde van de afstand waarmee hij Pluto passeerde. De observatietijd van dichtbij is echter erg kort, want de sonde scheert snel langs de planetesimaal.

Maar de resolutie van Ultima Thule zal twee keer zo hoog zijn als bij Pluto, dus New Horizons zal details ter grootte van een basketbalveld kunnen zien.

Planeetvorming wordt inzichtelijk

Ultima Thule is het meest ongerepte object uit het ontstaan van het zonnestelsel dat ooit van dichtbij is bestudeerd.

Hopelijk wordt duidelijk welke vorm de ijsbol heeft, wat zijn temperatuur is, waaruit de bodem en de kern bestaan en of hij een atmosfeer en stofringen heeft.

Als Ultima Thule een scherf is die bij een botsing van een planetesimaal is afgeslagen, dan zal de interne structuur van de oorspronkelijke planetesimaal aan het oppervlak te zien zijn.

In dat geval kunnen de wetenschappers de ontwikkeling van planetesimalen volgen en ophelderen hoe ze in het prille zonnestelsel zijn ontstaan bij botsingen tussen brokken ijs, stof en steen. Het zal de wetenschappers een beter beeld geven van de manier waarop de planetesimalen groot werden, botsten en zich tot planeten verzamelden.

New Horizons moet tot 2021 minstens 25 andere ijsobjecten observeren van grotere afstand, variërend van 15 miljoen kilometer voor kleine objecten tot 1,5 miljard kilometer voor de mogelijke dwergplaneet Quaoar. Die bevindt zich op 8 miljard kilometer van de aarde, op dezelfde afstand van Ultima Thule als de afstand aarde-zon.

Bij de waarnemingen moet blijken welke vorm de ijsobjecten hebben en waaruit de bodem bestaat.

Zo kunnen de astronomen de gedetailleerde studies van Ultima Thule in een bredere context plaatsen en een nieuw en beter model ontwikkelen voor de totstandkoming van de Kuipergordel en de buitenste planeten.

Als veel planetesimalen bijvoorbeeld dubbelsystemen vormen, met twee objecten die om elkaar draaien, kan dat verklaren hoe zulke planetesimalen 4,5 miljard jaar geleden tot de vier buitenste planeten zijn uitgegroeid.

De Nederlands-Amerikaanse astronoom Gerard Kuiper voorspelde al in 1951 dat er veel kleine ijsobjecten buiten de baan van Neptunus waren, maar pas in 1992 namen wetenschappers de eerste waar.

Nu denken astronauten dat de gordel bestaat uit een schijf vol ijsbollen die op 4,5 tot 7,5 miljard kilometer van de zon af cirkelen. De Kuipergordel bevat waarschijnlijk miljoenen kleine planetesimalen zoals Ultima Thule, meer dan 100.000 ijsobjecten met een diameter van meer dan 100 kilometer en minstens vijf – dus misschien zelfs meer – dwergplaneten.

Kuipergordel omvat het verleden

In het vroege zonnestelsel was de gordel groter en dichter bij de zon. Hier botsten kleine planetesimalen keer op keer met 
elkaar en vormden ze zo de vier gasplaneten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus.

Naarmate die planeten groeiden, trokken ze harder aan elkaar, waardoor Jupiter circa 4,1 miljard jaar geleden richting de zon schoot, terwijl Saturnus, Uranus en Neptunus naar buiten werden geslingerd, naar hun huidige baan.

De overige planetesimalen gingen alle kanten op. Sommige vlogen het zonnestelsel uit, andere trokken in de richting van de zon en de binnenplaneten. De inslagkraters die ze achterlieten op de maan en Mars, zijn nog te zien.

De meeste planetesimalen werden echter ingevangen door het gravitatieveld van Neptunus. Zo vormden ze de huidige Kuipergordel, waar de ijsbollen in dezelfde schijf als de planeten rondvliegen.

Hier, in het donkere en koude buitenste zonnestelsel, draaiden de kleine ijsbollen de laatste 4 miljard jaar in stabiele banen.

De temperatuur in de Kuipergordel is -223 °C, en daardoor verdampt het materiaal in en rond de objecten niet. Daarbij is de zon zo ver weg dat licht en straling het oppervlak van de ijsbollen niet hebben veranderd.

De objecten in de Kuipergordel zijn met andere woorden goed bewaard gebleven originele planetesimalen, die ontstonden in dezelfde schijf van stof, gas en ijsklonten als die waar de vier buitenste planeten uit voortkomen.

New Horizons zal de onderzoekers daarom veel leren over zowel het prille zonnestelsel als de vorming van de planeten.

Zeer interessant worden de observaties van kraters die zijn ontstaan als gevolg van botsingen met rotsen en planetesimalen.

Uit close-ups van de sonde moet blijken hoeveel kraters er zijn.

Doordat de objecten in de Kuipergordel al 4 miljard jaar in een stabiele baan draaien, zijn de kraters niet recentelijk ontstaan, maar moeten ze gevormd zijn in het vroege zonnestelsel, toen er veel rotsen en planetesimalen waren.

Als er een groot aantal kraters aanwezig is, wil dat zeggen dat de gordel die de bouwmaterialen aan de planeten heeft geleverd, vol planetesimalen zat, terwijl een gering aantal kraters erop duidt dat de gordel minder vol was.

Dergelijke concrete gegevens hebben de astronomen nu niet, en als ze de resultaten van de sonde invoeren in de modellen voor de ontwikkeling van het zonnestelsel, zal de theorie een steviger fundament hebben.

Sonde werkt tot in de jaren 2030

Omdat Ultima Thule 6,5 miljard kilometer ver weg is, duurt het ongeveer 21 maanden voordat de berg gegevens die New Horizons heeft verzameld over de ijswereld, naar de aarde is verzonden. De onderzoeksleider, Sol Alan Stern, gaat er momenteel van uit dat de eerste verzameling resultaten in september 2021 zal worden gepubliceerd.

New Horizons is het vijfde vaartuig dat de baan van Neptunus heeft gekruist en de Kuipergordel heeft bereikt.

Al in 1983 kwam de NASA-sonde Pioneer 10, die in 1972 op pad ging, langs de gasreus, waarna Pioneer 11 en de twee Voyager-sondes volgden. De Pioneers verstuurden in 2003 de laatste data, maar de onderzoekers hebben nog steeds contact met de beide Voyagers.

De verste, Voyager 1, is nu 21 miljard kilometer van de aarde vandaan en stak in 2012 als eerste vaartuig ooit de heliopauze over: de grens van het zonnestelsel en de interstellaire ruimte, waar de hoeveelheid zonnedeeltjes geringer is dan deeltjes van buitenaf.

Eerdere sondes zijn weliswaar tot ver in de Kuipergordel gekomen, maar gelanceerd lang voordat het bestaan van de gordel werd aangetoond in 1992, dus hun instrumenten zijn niet ontwikkeld om daar op onderzoek uit te gaan.

Zo zijn de Voyager-camera’s niet gevoelig genoeg om te navigeren in de buurt van de kleine hemellichamen. De deeltjesdetectoren van New Horizons kunnen dat wel, en bovendien is de sonde uitgerust met een stofvergaarder.

Naast het waarnemen van meer ijsobjecten zal de sonde aan de hand van de hoeveelheid stof en waterstofgassen nagaan hoe de zonnewind afneemt. Volgens Stern zal New Horizons gegevens naar huis sturen tot in de jaren 2030. Dan is de brandstof op, maar de sonde zal in zijn baan blijven en rond 2040 de grens naar de interstellaire ruimte oversteken.