O.S.E.L. - Sonda New Horizons je jen desítky hodin od primárního cíle
 Sonda New Horizons je jen desítky hodin od primárního cíle
LORRI, Ralph, Alice, REX, SWAP, PEPSSI... a plán průletu.

 

Pluto z 11.7.2015, sonda New Horizons, kamera LORRI. Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Pluto z 11.7.2015, sonda New Horizons, kamera LORRI. Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Včera naše informace https://www.osel.cz/8323-zleva-zprava-prazdno-pred-nami-je-pluto.htmlkončila u dvou snímků zveřejněných úřadem NASA. Na prvním jsou čtyři tajemné temné skvrny, které jsou vidět na vzdálenost necelých čtyř milionů kilometrů dobře patrné. Tato strana Pluta, díky vázané rotaci, vždy čelí průvodci Charonovi, a ve fázi největšího přiblížení sondy nebude viditelná. Ona okolnost činí zmíněnou fotografii jedinečnou. Po dalších několik dekád půjde o nejpodrobnější snímek této polokoule.

 

 

Den ode dne lepší rozlišení. Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Den ode dne lepší rozlišení. Kredit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Skvrny se spojují v tmavý pás oblasti plutónského rovníku, a jejich pravidelnost je zatím velkou záhadou. Jde o nějakou formu náhorních plošin (nebo naopak nížin), či jde jen o odlišnou světlost proti okolí? Každá z nich má velikost přibližně 500 kilometrů. Nyní se jeví daleko složitější, než na starších snímcích, i jejich hranice jsou nepravidelné a jasně definované.

 

 

Zatím poslední obrázek sondy New Horizons odhaluje Plutův největší měsíc Charon jako svět roklin a kráterů. Nejvýraznější roklina, která leží v jižní hemisféře, je podle William McKinnona delší a hlubší než Grand Canyon. Na rozdíl od skoro hladké a nejasné ledové koule z minulých snímků nyní vidíme svět s různými druhy geologické aktivity. Nejvýraznější kráter, který leží poblíž Charonova jižního pólu, má šířku necelých 100 kilometrů. Snímek byl pořízen 11. července, a uveřejněný v neděli. Albedo materiálu na okraji kráteru naznačuje, že byl zřejmě zformován poměrně „nedávno“ (z pohledu geologie), zřejmě během kolize s malým objektem Kuiperova pásu, někdy během poslední miliardy let.

 

Spustit animaci
Sobotní pozorování planetky Pluto. Mezi oběma snímky uplynuly dvě hodiny. Kredit: Global Star Party/Paul Stewart
Sobotní pozorování planetky Pluto. Mezi oběma snímky uplynuly dvě hodiny. Kredit: Global Star Party/Paul Stewart

Nyní k událostem zítřejšího dne u nichž budou asistovat dvě palubní zařízení. Prvním z nich - a zřejmě hvězda popularizačních webových stránek, která nás bude oblažovat nejčastěji publikovanými záběry, je palubní "macek" LORRI (Long-Range Reconnaissance Imager) o šířce zorného pole 0.29 stupňů, která pořizuje černobílé snímky. Na paty jí šlape zařízení se sympatickým názvem Ralph. Jde o komplexní zařízení Multi-spectral Visible Color Imager (MVIC) a IR Spectral Imager (LEISA) – kamera a spektrometr pro viditelné a infračervené vlnové délky se společnou optikou. Zobrazuje barvy, složení a teplotní mapy povrchu. Zařízení je schopno pořizovat jak černobílé tak barevné snímky s maximální šířkou zorného pole 5.7 stupňů. Je vybaveno filtry pro blízké infračervené kmitočty, červeným a modrým a filtrem pro detekci metanu. Barevné snímky jsou povětšinou složeny právě z těchto filtrů, přičemž chybějící zelená bude dopočítávána z modré a červené.

 

 

Montáže snímků publikované v médiích budou kombinovat výhody obou zařízení (ono už se tak pár posledních týdnů děje). Co se detailních záběrů týče, poslouží lépe LORRI, ale snímky se kolorují pomocí filtrů zařízení MVIC.

 

Miss New Horizons 2015

LORRI je na palubě sondy New Horizons tou nejcitlivější kamerou s nejvyšším rozlišením. Vlastně je jednou z těch nejcitlivějších kamer, které zatím lidstvo vypustilo na planetární misi. LORRI se skládá ze dvou hlavních části (jak už padlo dříve) - teleskopu a snímače. Teleskop je v případě LORRI typu Ritchey–Chrétien, což je reflektorový druh teleskopu se dvěma hyperbolickými zrcadly, jaký se v kosmickém výzkumu běžně používá zhruba od poloviny minulého století. Teleskop LORRI má průměr primárního zrcadla 20.8 cm, ohniskovou vzdálenost 263 cm a šířku zorného pole 0.29° x 0.29°, které je promítáno na snímač s rozlišením 1024 x 1024 pixelů, z čehož vyplývá, že na každý pixel připadá 0.00028° x 0.00028° (nebo také vyjádřeno v úhlových sekundách 1.02" x 1.02"). Pro zajímavost - jednu úhlovou sekundu si můžeme přibližně představit jako velikost "cédéčka" na vzdálenost 24 km. Každý pixel snímače má hloubku 12 bitů, což znamená, že dokáže rozlišit 4096 stupňů šedi.

 

Kamera LORRI využívá snímač typu CCD (Charged Coupled Device), který je chlazený pro minimalizování vzniku šumu. Lori umí také pracovat v "režimu 4x4", při kterém se sčítají vždy 4 sousedící pixely, čímž se sice sníží rozlišení na 256 x 256 px, ale je to vhodné například pro případy, kdy je potřeba dlouho exponovat a kdy by jinak byly snímky v režimu 1x1 rozmazané vlivem pohybu sondy. Kamera LORRI nemá žádné barevné filtry, snímá panchromaticky přes velkou část elektromagnetického spektra (přibližně od 350 nm do 850 nm) a výsledkem jsou černobílé snímky. Tento způsob byl zvolen jako určitý kompromis jednak proto, aby kamera zůstala co nejjednodušší a také proto, že při vstupu do systému Pluta bude osvit 1000x menší než na Zemi a filtry by teleskopu světlo zbytečně ubíraly.

LORRI bude mapovat malé oblasti v blízkosti slunečního terminátoru (přechodu mezi osvětlenou a neosvětlenou polokoulí) s rozlišením okolo 50 m/pixel v čase největšího přiblížení plavidla (který bude záviset na zvolené trajektorii). Dále bude intenzivně používána pro studium vyžadující vysokou geometrickou věrnost, jako je například stanovení tvarů Pluta, Charona, Nixu a Hydry a zpřesnění jejich oběžných drah kolem společného těžiště systému.

 

 

Ralph

Ralph má jako hlavní úkol pořídit barevné mapy topografických prvků povrchu Pluta a jeho měsíce Charona, včetně spektrálních charakteristik, podle kterých bude možné určit chemické složení povrchu a atmosféry obou těles, ale později i dalších těles při cestě Kuiperovým pásem. Ralph se skládá ze dvou hlavních zařízení - multispektrální kamery pro snímání viditelného až blízkého infračerveného záření (proto nazývaná MVIC - Multi-spectral Visible Imaging Camera) a spektrografu pro snímání krátkovlnného infračerveného záření (nazývaného LEISA - Linear Etalon Imaging Spectral Array). MVIC je kamera s CCD snímačem a několika filtry - dvěma panchromatickými (450 až 1000 nm) a čtyřmi barevnými. Spektrograf LEISA pracuje se snímačem 256 x 256 px z HgCdTe (rtuť-kadmium-telurid). Kromě snímkování slouží MVIC také jako optická navigace sondy. Obě zařízení, MVIC a LEISA, sdílí jeden společný teleskop. V jednu chvíli může být aktivní pouze jedno ze zařízení MVIC/LEISA a tak se mezi nimi podle potřeby přepíná. Teleskop disponuje třemi zrcadly. Průměr jeho primárního zrcadla činí 7.5 cm.

 

 

Řazení priority detektorů podle rychlosti zápisu

Tohle si shrňme jen krátce, protože to není pro náš příběh až tak podstatné, ale i tyto vlastnosti hrály podstatnou roli při výpadku ze čtvrtého července, a opětovně budou hrát roli při hektických zápisech ve fázi samotného přeletu.

Co se měření a zápisu dat na paměťovou sběrnici týče, jsou palubní senzory rozděleny do dvou skupin: LORRI, Ralph, Alice a REX zapisují své datové výstupy rychle. Naopak SWAP, PEPSSI a SDC to dělají pomaleji. Aby to nebylo tak jednoduché, ultrafialový spektrometr pro detekci atmosféry planetky Pluto s názvem Alice při některých měřeních přepíná svůj datový zápis do pomalého módu. Proto byla komprimace dat i kompletace jejich paketů před odesláním ke stanicím DSN pojata zvlášť. I tyto detaily ovlivní časově náročný přenos. Ale pojďme se už podívat na tu nejdůležitější fázi před průletem a po něm.

 

 

Jako na letišti: Předběžné rozdělení fází příletu a odletu

Původní plán nejbližších fází průletu byl koncipován do několika fází z hlediska balíků vědeckých a navigačních měření. Sestával se ze sedmi stupňů:

 

- přibližovací fáze 1 (AP1 - Approach phase 1) přibližně šest měsíců až sto dnů před průletem (od 8. ledna do 4.dubna 2015)

- přibližovací fáze 2 (AP2) - přibližně 100 až 22 dnů před průletem (5. dubna až 22. června)

- přibližovací fáze 3 (AP3) - T mínus 21 dní až T mínus 24 hodin před průletem (23.6. až poledne 13.7.)

- fáze NEP (NEAR ENCOUNTER PHASE) T - mínus 24 hodin až T plus 24 hodin (13. - 15.7.)

- poprůletová fáze 1 ( Departure Phase 1 - DP1: T + 24 hodin - T + 21 dní od průletu, 15.7. - 4.8.)

- DP2 (22 - 100 dní po průletu: 5.8. - 22.9. 2015)

- DP3 (101 dní až 6 měsíců po průletu: 23.9. až do r. 2016)



Pokud vás také mrzí, že nebudete moci přímo sledovat náročné manévry sondy v době samotného průletu, nabízím alespoň stránku, ze které si můžete stáhnout animace, a vychutnat si baletní kreace New Horizons. Pro požitkáře připojuji ještě adresy na další simulace:

 

GIF: https://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/pluto_eyes_720.gif

5 Popis: ochutnávka toho, co najdete v simulacích průletu. Vpravo nahoře můžete vidět zorná pole některých detektorů. Kredit: NASA/New Horizons

 




Pluto Flyby Toolkit



Drama vrcholí - T mínus 48 hodin a dál...

V sobotu 11. července zařízení LORRI snímkovalo Pluto, Charon, Nix a Hydru. Data byla ihned po kompletaci odeslána na Zemi, protože byla pro letovou kontrolu důležitým pomocníkem při optické navigaci sondy. První obdržené snímky byly v menším rozlišení, než ty, které nám z povrchu Cerery zasílala sonda Dawn. V průběhu neděle a pondělí probíhal přenos dat v módu "Fail Safe". Ten je navržen tak, aby v případě poškození při průletu obdržela letová kontrola minimální možné vědecky přínosné množství dat.



Pondělí 13.7. - čtyřiadvacet hodin do průletu nastává fáze těsně před přiblížením (“near encounter phase”), kdy sonda takřka neustále vykonává pozorování a měření pomocí kamer, senzorů částic, plazmových detektorů a spektrometrů. Po průletu dojde ke změně polohy sondy a pozorování budou pokračovat "z opačné strany" - při některých experimentech bude využito přítomnosti slunečního kotouče v zorném poli detektorů.

 

Největší přiblížení sondy a přímý průlet systémem se odehraje 14. července v 11:49:57 UTC, tedy ve 12:49:57 SELČ. Sonda se po dobu -/+ 12 hodin bude soustředit na přesné zaměření snímaných cílů a komunikace se sítí příjímačů DSN bude omezena na minimum. Po celou tuto dobu budou mít prioritu pozorování a měření. První kontakt se Zemí je naplánován až na noc ze 14. na 15. července. Ten začne jednoduchým kódem pracovně pojmenovaným "volání domů", při němž se nejdřív odešlou základní telemetrická data následovaná downloadem prvních snímků o nízkém rozlišení a nejdůležitějších vědeckých měření. Prvních snímků bychom se tak mohli dočkat ve středu nebo ve čtvrtek dopoledne.

 

Ve fázi největšího přiblížení počítejme s tím, že se některé měsíce na snímky nedostanou, protože se nevejdou do zorného pole kamer. Hlavní prioritou je samotné Pluto.

Od pátku 17. až do pondělí 20. července bude sonda odesílat data v režimu "Early High Priority" - zjednodušeně přeloženo: "odešli ta nejdůležitější data v co nejkratším čase".

Po tomto víkendu bude následovat osmitýdenní pauza v odesílání vědeckých dat. V té době se bude řešit technický stav sondy a příprava pro další zážeh palubních trysek, které odešlou New Horizons do Kuiperova pásu vstříc dalšímu setkání s objektem vnějšího slunečního systému (k podrobnostem se dostaneme zítra).

Všechna data odeslána v týdnu kolem přiblížení budou v režimu ztrátové komprese. Chyby na publikovaných fotografiích budou podobné, jako při ukládání a konverzi většího souboru do formátu JPEG. Jedinou výjimku tvoří snímky určené k navigaci sondy před průletem. Tam bude použita komprese bezztrátová.

 

Zhruba 24 hodin před průletem už bude Pluto tak blízko sondě, že se jeho kotouč nevejde do zorného pole LORRI. Průlet proběhne ve vzdálenosti přibližně 12,5 tisíce km od povrchu planetky. Jen pro zajímavost: průletové "okno" (nazývané také klíčová dírka) tvoří oblast o rozměrech cca 100 x 100 km. Do tohoto prostoru se sonda musí trefit po miliardách kilometrů strávených ve vesmíru od svého startu v r. 2006.

 

Jelikož Pluto i Charon rotují kolem své osy velmi pomalu s periodou 6,5 dne (Charon má rotaci vázanou) bude na většině snímků po dobu průletu pouze jedna hemisféra obou těles. Přibližně tři dny před průletem sonda snímkovala opačnou polokouli, která už v době průletu bude namířena směrem ke Slunci. Rozlišení snímků v tu dobu bude něco kolem 38 kilometrů na pixel.

 

Zvětšit obrázek
Je úžasné, jak je dědeček Hubble po dekády ve fantastické kondici. Na montáži můžeme porovnat jeho dnes již legendární snímek s těmi, které pořídila sonda při přibližování.  Kredit: NASA/ESA/HST/pitcapuozzo
Je úžasné, jak je dědeček Hubble po dekády ve fantastické kondici. Na montáži můžeme porovnat jeho dnes již legendární snímek s těmi, které pořídila sonda při přibližování. Kredit: NASA/ESA/HST/pitcapuozzo

 

Rotační osa planetky Pluto má stejně jako Uran velký sklon k oběžné rovině planet kolem Slunce a obíhá kolem něj po výstřední dráze (sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17°, sklon rotační osy je plných 82°). Jeho vzdálenost od Slunce se pohybuje mezi 30 až 49 au (přibližně 4,4 – 7,3 miliard km). Na severní polokouli je teď léto. Všechny snímky budou zabírat osvícenou část severního pólu planetky i jejích měsíců.



Fáze těsně po přeletu

Začne mimo jiné snímkování odvrácených stran Pluta a Charonu od Slunce. Obrazové detektory budou schopny zachytit "temné" polokoule nasvícené odraženým světlem souseda. Nejdřív přijde na řadu plutónská temná strana v odraženém světle Charonu, poté Charonova odvrácená strana v odraženém slunečním světle Pluta. Tým netuší, jak snímkování dopadne, ale počítá se s ním. U Pluta bude skenovat odvrácenou stranu MVIC, protože LORRI bude zaměřena na jiný cíl. Ta převezme úlohu při scanování Charonu. Velká rychlost sondy neumožňuje delší expozice, proto bude probíhat série asi 130 snímků při expozici 0,2 - 1 sekunda, ze kterých se následně budou sestavovat kompozity.

 

14. září začne fáze stahování celého balíku komprimovaných dat. Ten potrvá přibližně 10 týdnů. Když se nevyskytnou žádné technické problémy (jako například dočasná ztráta kontaktu ze 4. července), budeme mít 16. listopadu ucelenou sadu primárních dat - sice se ztrátovou kompresí, ale kompletní. Až poté začne sonda odesílat nekomprimovaná data. Opět platí, že pokud bude vše probíhat bez problémů, tato fáze potrvá přibližně jeden rok.

 

Seznam plánovaných datových přenosů v době kolem průletu je zatím značně chaotický. Časy jsou plánované, ale můžou se měnit. Nejpozději do 48 hodin po obdržení by snímky LORRI měly být uploadovány na níže uvedenou adresu, ale můžeme očekávat dobu kratší. Doba vysílání se může o 7 minut lišit od uvedených informací, poloha dokonce o 6 000 km.

Plánovaný seznam downlinků najdete na následující adrese s tím, že v době bezprostředně před průletem bude lepší stránku obnovit, neboť hodnoty budou upřesňovány podle dat uveřejněných týmem New Frontiers: Planetary.org

Snímky LORRI budou chronologicky uveřejňovány zde.

Pokud nenastane žádný technický problém, měla by být všechna data v režimu "vysokého stupně důležitosti" stažena z diskové jednotky sondy 20. července. Po další dva měsíce od tohoto dne přejde vysílání do režimu "low speed", čili pomalejšího, ale kontinuálního stahování. V té době budou pomocí palubní parabolické antény odesílány všechny kompletní balíky naměřených a nasnímaných dat (viz pár odstavců níže). Po tuto dobu bohužel neočekávejme žádné nové a převratné snímky.

 

Ta nejčastější nedorozumění na webu se bohužel týkají průletu samotného, tedy úterka 14. července. V tento ani následujících dnech neočekávejme omračující snímky ve vysokém rozlišení. Datový tok je příliš nízký, proto se v médiích dočkáme komprimovaných snímků. V době bezprostředně po průletu bude downlink pouhý 1 kbps (1000 bitů za sekundu). Ti z vás, kteří pamatují prvních modemů z devadesátých let: i tenkrát byl typický datový tok telefonní linky 16x rychlejší, než jakým odesílá sonda data k Zemi. Odeslání jednoho zkomprimovaného černobílého snímku v nízkém rozlišení potrvá několik desítek minut. Odeslat ten samý snímek ve vysokém rozlišení už zabere několik hodin.

Množství příjmaných dat bude na Zemi dvojnásobné proti původním plánům, a to díky děličům na zesilovačích 70m přijímací parabolické antény v Goldstone. Systém 2TWTA (zkrácení slov two tweeters - two Wave Tube Amplifiers) umožňuje rozdělení dat do dvou nezávislých kanálů s opačnou polaritou. Tento zlepšovák byl vytvořen a uveden do provozu v minulých letech právě kvůli nárokům na přenos dat mise New Horizons.

 

První kompletní balík nejdůležitějších vědeckých dat a snímků by měl být zkompletován koncem září, tedy zhruba dva měsíce po průletu.

 

V intervalu prvních dnů bezprostředně po průletu bude staženo pouhé jedno procento z celkového množství dat uložených na interní diskové jednotce. Metoda výběru těch správných dat byla předmětem bolestivých debat. Tým New Frontiers musel zohledňovat jak přínos vědecký, tak i vhodnou prezentaci v médiích. Publikované snímky budou nejdříve uveřejňovány s minimálním zpracováním (s ohledem na čas) a dále s většími zásahy, které nám pomohou rozlišovat například rozložení chemických látek na površích těles. O potřebné dodatečné informace k publikovaným fotkám se bude starat autonomní tým spolupracující přímo s letovou kontrolou New Horizons. Znovu je vhodné poprosit o trpělivost: týmy nejsou nikterak početné.

 

Z bezpečnostních důvodů se budou v prvních týdnech po průletu primárně odesílat nejdříve komprimovaná data, protože v případě poškození sondy (například centrální navigační jednotky IMU, kdy by nebyla možná správná orientace parabolického vysílače směrem k Zemi), by odborníci přišli pouze o verze snímků v plném rozlišení, a zbyla by jim "alespoň" komprimovaná/redukovaná data. Z toho důvodu se dočkáme snímků ve vysokém rozlišení až několik měsíců po průletu. V tomto bodě není ještě situace zcela zřejmá a tým New Frontiers si nechává určitou rezervu - všechno bude záviset na technickém stavu sondy.

 

V době průletu proběhne jen několik downlinků - sonda bude řešit hlavně složité a rychlé manévrování tak, aby dostala co nejvíc objektů do zorného pole jak kamer, tak dalších detektorů a měřících zařízení. Zároveň v době manévrů sonda nebude (až na pár okamžiků) na Zemi nic odesílat, protože bude mířit palubními detektory na předem stanovené cíle, a její vysílací anténa proto nebude mířit směrem k nám. Bude dobré se obrnit trpělivostí. Ale těch pár snímků, které obdržíme, byly vybrány tak, aby byly pro oko působivé, takže se máme na co těšit.

 

Tým kolem Alana Sterna se rozhodl uveřejnit nejdřív černobílé snímky LORRI, zato ale v o něco větším rozlišení. Na barevné snímky (v menším rozlišení) zařízení MVIC si budeme muset počkat. Den před průletem (13.7.) by měla sonda odeslat jeden zajímavý snímek. Datový přenos bude probíhat v módu "E-Health 1 downlink", to znamená jedno publikované foto v rozumném rozlišení před tím, než dojde ke spuštění sekvence měření a focení při samotném průletu.

 

Po tři dny se dočkáme pouze několika snímků každých 24 hodin, v dalších dnech už by se měla situace zlepšit. Odesílání dat v době těsně před a po průletu by mělo probíhat v několika osmihodinových intervalech, ale zřejmě půjde kvůli technickým omezením o kratší dobu.

 

Poděkování: Miladě Bláhové za pomoc při sběru informací, týmu New Frontiers, NASA., Emily Lakdawalla



Zdroje informací:

https://pluto.jhuapl.edu/News-Center/Resources/Press-Kits/NHPlutoFlybyPressKitJuly2015.pdf

https://pluto.jhuapl.edu/soc/lorri_about.html

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.4261.pdf

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.4278.pdf

https://pluto.jhuapl.edu/News-Center/Resources/Press-Kits/NHPlutoFlybyPressKitJuly2015.pdf

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.4261.pdf

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0709/0709.4281.pdf




Autor: Vladimír Pecha
Datum:14.07.2015