Die Instrumente der Raumsonde New Horizons

In sechs Monaten wird die Raumsonde New Horizons den an den Grenzen unseres Sonnensystems beheimateten Zwergplaneten Pluto passieren und eingehend untersuchen. Welche Aufgaben haben dabei die sieben wissenschaftlichen Instrumente, mit denen diese Raumsonde ausgestattet ist?

Ein Beitrag von Ralph-Mirko Richter. Quelle: JHU/APL, SwRI, The Planetary Society, Wikipedia.

Die von der US-amerikanischen Weltraumbehörde NASA betriebene Raumsonde New Horizons nähert sich nach einer Flugdauer von mittlerweile neun Jahren immer weiter dem eigentlichen Ziel ihrer Reise. Bereits am 6. Dezember 2014 beendete die Raumsonde dabei ihre letzte Tiefschlafphase vor dem Erreichen des Zwergplaneten Pluto. In den folgenden Wochen führten die für den Betrieb der Raumsonde zuständigen Wissenschaftler und Ingenieure vom Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University (JHU/APL) in Laurel im US-Bundesstaat Maryland einen ausführlichen Systemtest durch, bei dem unter anderem die wissenschaftlichen Instrumente und die verschiedenen Hardware-Komponenten von New Horizons einer eingehenden Überprüfung und Kalibrierung unterzogen wurden (Raumfahrer.net berichtete).

Ab dem 15. Januar 2015 – und somit sechs Monate vor dem am 14. Juli um 13:50 MESZ erfolgenden Vorbeiflug am Pluto – ist diese ‚Zeit des Testens‘ jedoch beendet. Obwohl sich die Raumsonde gegenwärtig immer noch rund 215 Millionen Kilometer von ihrem Ziel entfernt befindet, beginnt jetzt auch offiziell die wissenschaftliche Beobachtungskampagne des Pluto und seiner derzeit fünf bekannten Monde. Die dabei angestrebten Forschungsziele, deren Erfüllung letztendlich über den Erfolg dieser ambitionierten Mission entscheiden werden, können Sie in diesem PDF-Dokument in englischer Sprache nachlesen.

Hierbei kommen sieben Instrumente zum Einsatz, welche sich in zwei Gruppen – Fernerkundungsinstrumente und ‚In-situ‘-Instrumente – einteilen lassen. In diesem Bericht sollen diese Instrumente kurz beschrieben werden.

Die Fernerkundungsinstrumente von New Horizons
Zu den Fernerkundungsinstrumenten zählen die vier Instrumente Alice, LORRI, Ralph und Rex.

Bei dem Alice-Instrument handelt es sich um ein abbildendes UV-Spektrometer zur Untersuchung der extrem dünnen Atmosphäre des Pluto. Alice arbeitet im ultravioletten Lichtbereich bei 46,5 bis 188 Nanometern Wellenlänge und besteht aus einem kompakten Teleskop, einem Spektrografen und einem Sensor, der 32 getrennte Flächen mit je 1.024 spektralen Kanälen aufweist. Alice kann in zwei verschiedenen Modi betrieben werden.

Im „Airglow“-Modus können die Gase, aus denen sich die Plutoatmosphäre zusammensetzt, und deren Mengenanteile durch direkte Messungen ermittelt werden. Außerdem sollen diese Messungen dazu dienen, um zu bestimmen, in welchem Umfang diese Gase in das umgebende Weltall entweichen. Im „Occultation“-Modus wird das Instrument dagegen direkt auf die Sonne oder auf einen leuchtstarken Hintergrundstern gerichtet, welcher zu diesem Zeitpunkt von dem Zwergplaneten bedeckt wird. Da die Plutoatmosphäre das Sternlicht während einer solchen Okkultation teilweise absorbiert ergeben sich in den bei diesen Gelegenheiten gewonnenen Lichtkurven der Sterne minimale Helligkeitsschwankungen. Durch deren Auswertung erhoffen sich die Wissenschaftler weitere Aufschlüsse über die Ausdehnung, die Dichte und die chemische Zusammensetzung der Plutoatmosphäre.

Durch weitere Messkampagnen soll zudem ermittelt werden, ob eventuell auch Charon – der mit einem Durchmesser von etwa 1.210 Kilometern mit Abstand größte Monde des Pluto – über eine Atmosphäre verfügt. Eine ausführliche Beschreibung des Alice-Instruments finden Sie hier in englischer Sprache.

Bei der LORRI-Kamera – so die Kurzform für den „LOng Range Reconnaissance Imager“ – handelt es sich um die Hauptkamera an Bord von New Horizons. Diese hochauflösende CCD-Kamera ist mit einem Ritchey-Chrétien-Cassegrain-Teleskop verbunden, dessen Primärspiegel über einen Durchmesser von 20,8 Zentimetern und über eine Brennweite von 2.630 Millimetern verfügt. LORRI ist für Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts bei Wellenlängen von 350 bis 850 Nanometern ausgelegt und zudem für die im Bereich des Pluto vorherrschenden Lichtverhältnisse optimiert. Das Sichtfeld der Kamera verfügt dabei über eine Ausdehnung von 0,29 x 0,29 Grad. Da die Kamera über keine Farbfilter verfügt, werden lediglich Schwarz-Weiß-Aufnahmen erstellt, welche jedoch unter der Verwendung der Farbaufnahmen des weiter unten beschriebenen Kamerasystems Ralph nachträglich ‚colorisiert‘ werden können.

In den kommenden Monaten wird das Kamerasystem in regelmäßigen Abständen mehrere Hundert Aufnahmen des Pluto-Systems anfertigen, welche zunächst der optischen Navigation der Raumsonde dienen. Aus den Daten der am 25. Januar beginnenden zweiten von insgesamt vier Navigationskampagnen soll noch bis zum Februar 2015 abgeleitet werden, ob New Horizons in den folgenden Monaten ein weiteres Kurskorrekturmanöver durchführen muss, welches dann Mitte März beziehungsweise Mitte Mai ausgeführt werden müsste. Aus den Aufnahmen sollen zudem kurze ‚Annäherungsvideos‘ erstellt werden, auf denen Pluto und dessen Monde immer besser und besser zu erkennen sein werden. Im April 2015 sollen der Pluto und der Mond Charon dann auch erstmals ‚in Farbe‘ abgebildet werden. Ebenfalls ab dem April sollen es die LORRI-Aufnahmen ermöglichen, bei den vier kleineren Plutomonden Helligkeitsunterschiede auf deren Oberflächen zu erkennen.

Ungefähr ab Mitte Mai 2015 wird LORRI Fotos anfertigen können, welche über eine bessere Auflösung verfügen als die besten Pluto-Aufnahmen des Weltraumteleskops Hubble. Während der Plutopassage sollen Aufnahmen angefertigt werden, welche Teilbereiche der Plutooberfläche im Bereich der dort zu diesem Zeitpunkt gegebenen Tag/Nacht-Grenze mit einer Auflösung von bis zu 50 Metern wiedergeben. Die Oberfläche von Charon soll dagegen aufgrund der größeren Distanz während des Vorbeifluges mit Auflösungen von bis zu 250 Metern abgebildet werden können.

Da sowohl Pluto als auch Charon für eine vollständige Drehung um ihre Rotationsachsen einen Zeitraum von etwa sechs Tagen, neun Stunden und 17 Minuten benötigen und der eigentliche Vorbeiflug am 14. Juli 2015 innerhalb weniger Stunden erfolgt werden diese am höchsten aufgelösten Aufnahmen jedoch in beiden Fällen nur einen Teil der jeweiligen Oberflächen zeigen. Durch das Studium dieser Aufnahmen erhoffen sich die beteiligten Wissenschaftler trotzdem Erkenntnisse über die globale Form und Gestalt der Oberflächen dieser beiden Himmelskörper sowie über deren exakte Rotationsdauer. Die nicht während der dichtesten Annäherungen fotografierbaren Oberflächenbereiche dieser beiden Himmelskörper können drei Tage vor beziehungsweise nach dem Encounter aus Entfernungen von etwa drei Millionen Kilometern abgebildet werden. Selbst auf diesen Aufnahmen wird dabei immer noch eine maximale Auflösung von etwa 40 Kilometern pro Pixel erreicht.

Weitere Details zur LORRI-Kamera finden Sie – ebenfalls in englischer Sprache – in diesem PDF-Dokument.

Ein weiteres Kamerasystem trägt den Namen Ralph. Neben der Kartierung der Oberflächen von Pluto und Charon mit einer Auflösung von bis zu maximal 250 Metern pro Pixel kann dieses Kamerasystem auch dazu genutzt werden, um Farbaufnahmen anzufertigen. Zu diesem Zweck verfügt das Instrument über ein Sechs-Zentimeter-Teleskop, welches das Licht ‚einfängt‘ und anschließend zu zwei getrennten Subsystemen weiterleitet.
Für die Anfertigung der Farbbilder ist die „Multispectral Visible Imaging Camera“ (kurz „MVIC“) zuständig, welche im sichtbaren und im nahinfraroten Lichtbereich bei 400 bis 975 Nanometern arbeitet. Dank der Daten der MVIC können auch die deutlich höher aufgelösten Schwarz-Weiß-Aufnahmen der LORRI-Kamera in einen farblichen Kontext gesetzt werden.

Das „Linear Etalon Imaging Spectral Array“ (kurz „LEISA“) – ein abbildendes Spektrometer – sammelt seine Daten dagegen im infraroten Bereich des Lichts bei 1,25 bis 2,50 Mikrometern Wellenlänge. Hierdurch sollen Daten über die Temperatur sowie über die chemische und mineralogische Oberflächenzusammensetzung von Pluto und Charon gewonnen werden. Falls auf den Oberflächen dieser beiden Himmelskörper tiefere Krater existieren sollten, so könnte LEISA durch deren Beobachtung auch Daten gewinnen, welche Informationen aus dem Inneren dieser beiden Objekte enthüllen. Aber auch die kleineren Begleiter des Pluto stehen auf dem gegenwärtig gültigen Beobachtungsprogramm dieses Spektrometers.

Eine ausführlichere Beschreibung der Ralph-Kamera finden Sie hier in englischer Sprache.

Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Fernerkundungsinstrumenten handelt es sich bei Rex nicht um ein direkt abbildendes System. Rex ist vielmehr ein Radiowellenexperiment, welches mit dem Kommunikationssystem der Raumsonde durchgeführt wird und das auf dem Prinzip der Radio-Okkultation basiert.

Hierzu werden mit den Antennen des Deep Space Networks (kurz „DSN“) der NASA während der Plutopassage einfache Trägerwellensignale in Richtung New Horizons abgesetzt. Die Flugbahn von New Horizons ist so gewählt, dass sich der Zwergplanet Pluto rund 62 Minuten nach dem Vorbeiflug kurzfristig genau zwischen der Raumsonde und der Erde befinden wird. Die von dem DSN abgesetzten Signale müssen somit zuerst die Plutoatmosphäre durchdringen, bevor sie von der Raumsonde empfangen werden können. Hierbei werden sie jedoch minimal verändert. Diese Signale werden anschließend von New Horizons gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt zurück zur Erde übertragen. Durch die Auswertung der veränderten Signale lässt sich ebenfalls die Ausdehnung, Dichte, Temperatur und Zusammensetzung der Pluto-Atmosphäre studieren.

Ein vergleichbares Experiment ist nochmals 87 Minuten später auch bei dem Mond Charon vorgesehen. Hierbei wollen die Wissenschaftler jedoch in erster Linie erst einmal prinzipiell herausfinden, ob dieser größte Mond des Zwergplaneten überhaupt über eine Atmosphäre verfügt. Weitere Informationen und technische Details über das Rex-Experiment finden Sie hier in englischer Sprache.

Die ‚In-situ‘-Instrumente von New Horizons
Zu den für ‚direkte‘ Untersuchungen ausgelegten ‚In-situ‘-Instrumenten zählen dagegen die drei Instrumente PEPPSI, SWAP und Venetia.

Bei PEPSSI – kurz für „Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation“ – handelt es sich um ein Ionen- und Elektronenspektrometer, welches unter der Verwendung von 12 Empfangskanälen nach neutralen Atomen, die aus der Atmosphäre des Pluto entweichen, suchen soll.

Pluto ist von einer extrem dünnen, aber trotzdem vermutlich bis zu 3.000 Kilometer über die Oberfläche reichenden Atmosphäre umgeben, welche sich laut den bisherigen Studien zum größten Teil aus Stickstoff zusammensetzt. Des weiteren sind dort auch Kohlenstoffmonoxid und Methan in geringen Konzentrationen enthalten. Allerdings verfügt der Pluto mit seinem Durchmesser von etwa 2.310 Kilometern über deutlich zu wenig Masse, um diese Gase dauerhaft an sich binden zu können. Vergleichbar mit dem Planeten Mars – wo allerdings noch weitere Faktoren eine Rolle spielen (Raumfahrer.net berichtete) – verliert auch Pluto permanent einen Teil seiner Atmosphäre.

Dieser Verlust – und dabei speziell die auftretenden Fluchtraten der verschiedenen Gasmoleküle – soll durch das Instrument PEPPSI näher untersucht werden. Dabei werden aus der Pluto-Atmosphäre entweichende und anschließend in das Instrument eintretende Ionen mit Energien von 1 bis 1.000 keV und Elektronen mit Energien von 20 bis 700 keV erfasst, wobei die Masse und Energie jedes einzelnen Partikels gemessen werden kann.

Weitere Informationen zu PEPPSI finden Sie hier in englischer Sprache.

Das SWAP-Instrument – kurz für „Solar Wind Around Pluto“ – beschäftigt sich ebenfalls mit dem Atmosphärenverlust auf dem Pluto, dient dabei aber auch der Studie des Zentralgestirns unseres Sonnensystems. SWAP ist ein Instrument, mit dem geladene Teilchen mit Energien von bis zu 7,5 Kiloelektronenvolt, welche aus Plutos Atmosphäre entweichen und dabei vom Sonnenwind mitgerissen werden, gemessen werden können. Dadurch soll in erster Linie festgestellt werden, ob Pluto über eine Magnetosphäre verfügt. Weiterhin kann mit SWAP auch der Sonnenwind beziehungsweise dessen Auswirkungen in der Umgebung von Pluto studiert werden. Außerdem werden auf diese Weise ebenfalls grundlegende Daten über die Plutoatmosphäre gesammelt.

Weitere technische Informationen und Einzelheiten zu den wissenschaftlichen Zielsetzungen von SWAP finden Sie hier ebenfalls in englischer Sprache.

Bei dem Venetia Burney Dust Counter-Experiment (kurz „Venetia“) handelt es sich um ein Instrument zur Untersuchung von kosmischen Staubpartikeln entlang der gesamten Flugroute der Raumsonde. Das Instrument zählt hierzu die auf die Raumsonde auftreffenden Staubpartikel und bestimmt zugleich deren Masse. Es handelt sich dabei um das erste Instrument dieser Art, welches weiter als 18 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt – dies entspricht einer Entfernung von etwa 2,7 Milliarden Kilometern – betrieben wird. Durch das Instrument sollen in erster Linie Informationen zu der Menge und Verteilung von interplanetaren Staubpartikeln im Sonnensystem gesammelt werden, welche sich entlang der Flugbahn von New Horizons befinden. Aus diesen Daten lassen sich auch Aussagen über die Kollisionsraten von Asteroiden, Kometen und Kuipergürtelobjekten ableiten. Auch im Mini-System des Zwergplaneten Pluto wird Venetia nach den dort vermuteten Staubpartikeln Ausschau gehalten.

Neben dem in diesem Zusammenhang nur mit einer nicht nennenswerten Atmosphäre geschützten Pluto stellen auch dessen fünf bisher bekannten Monde ein ‚Ziel‘ für die Einschläge von Meteoroiden dar. Bei den Meteoroiden handelt es sich um kleine Objekte mit Durchmessern von wenigen Mikrometern bis hin zu einigen Metern, welche sich auf einer Umlaufbahn um unsere Sonne befinden und die dabei schließlich auch mit den Planeten, Asteroiden und Monden unseres Sonnensystems kollidieren können. Durch diese kontinuierlich erfolgenden Einschläge von Mikrometeoriten werden vermutlich größere Mengen an Staubpartikeln in das den Pluto umgebende Weltall befördert. Aus diesen Partikeln, so die Vermutung von einigen Wissenschaftlern, könnte sich eventuell sogar ein den Zwergplaneten umgebendes Ringsystem gebildet haben.

Während ein solches Ringsystem – sofern es denn tatsächlich vorhanden ist – in den kommenden Monaten von den Kamerasystemen aufgespürt werden wird, soll Venetia allgemeine Informationen über die ‚freien‘ Staubpartikel liefern, welche viel zu klein sind, um sie mit optischen Systemen aufzuspüren. Venetia besteht aus einer 46 x 30 Zentimeter abmessenden Detektorplatte, welche auf der Außenhülle der Raumsonde angebracht ist, und einer im Inneren von New Horizons befindlichen Elektronikbox. Mit dem Instrument können noch Partikel aufgespürt werden, welche über die Masse von lediglich einem Picogramm – dies entspricht einem billionstel Gramm – verfügen.

Venetia ist das einzige der sieben von New Horizons mitgeführten wissenschaftlichen Instrumente, welches auch während der zwischenzeitlichen Hibernationsphasen der Raumsonde aktiv war und somit fast während des gesamten Fluges Daten sammeln konnte. Auch nach dem Passieren des Pluto soll das Instrument weiterhin aktiv sein und während des Weiterfluges zum nächsten Ziel von New Horizons weitere Daten sammeln.

Das Venetia-Experiment wurde von Studenten der Universität Colorado entwickelt und ist das erste von Studenten entwickelte Instrument, welches von der NASA auf einer interplanetaren Forschungsmission mitgeführt wurde. Ursprünglich trug das Instrument den Namen „Student-built Dust Counter“ (kurz „SDC“). Im Juni 2006 wurde es jedoch zu Ehren von Venetia Burney, welche im Jahr 1930 für den erst kurz zuvor entdeckten Pluto den seitdem verwendeten Namen vorschlug, in „Venetia“ umbenannt.

Weitere Informationen zu dem Venetia-Experiment finden Sie hier erneut in englischer Sprache.

Die Wissenschaftskampagne

Für die kommenden Monate wurde von den beteiligten Wissenschaftlern ein detaillierter Plan ausgearbeitet, nach dem die verschiedenen Instrumente aktiv sein werden und Daten sammeln sollen. Die dabei erwünschten Daten sind auf die Möglichkeiten der einzelnen Instrumente ausgerichtet, welche sich mit den unterschiedlichen Entfernungen zum Pluto verändern werden.

Bis zum 4. April wird eine bereits am 6. Januar 2015 begonnene Kampagne andauern, bei der PEPPSI und SWAP zunächst aus großen Entfernungen die Fluchtraten der Gasmoleküle aus der Plutoatmosphäre untersuchen sollen, während die LORRI-Kamera im gleichen Zeitraum den Pluto vor dem Sternenhintergrund und die Bewegungen seiner Monde dokumentieren wird. Ab Anfang April – hier beginnt die „Approach Phase 2“ – werden die LORRI-Aufnahmen Auflösungen bieten, welche für die Suche nach weiteren Monden oder einem eventuell vorhandenen Ringsystem geeignet sein werden. Am 23. Juni beginnt schließlich die dritte und letzte Phase der Annäherung von New Horizons an den Pluto, welche bis zum 13. Juli andauern wird.

Immer höher aufgelöste Aufnahmen ermöglichen dabei eine immer besser werdende Kartierung der Oberfläche und auch die restlichen Instrumente- speziell PEPPSI und SWAP – werden immer bessere Daten liefern. LEISA und Alice werden dabei zudem im ultravioletten und infraroten Spektralbereich auftretende Veränderungen detektieren, welche in Verbindung mit den weiteren Daten der verschiedenen Instrumente dazu geeignet sein werden, den Pluto und dessen Entstehungs- und Entwicklungsgeschichte eingehend zu untersuchen.

Unterstützt und ergänzt werden die jetzt in die ‚heiße Phase‘ eintretenden Untersuchungen von New Horizons in den kommenden Monaten zudem durch diverse Beobachtungen, bei denen die Wissenschaftler auf verschiedene erdgestützte und im Weltraum operierende Teleskope zurückgreifen wollen.

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