13. Juli 2020

Fünf Jah­re New-Ho­ri­z­ons-Vor­beiflug am Plu­to – Chro­nik ei­ner Su­per­mis­si­on

Pluto in Echtfarben, fotografiert von New Horizons
Plu­to in Echt­far­ben, fo­to­gra­fiert von New Ho­ri­z­ons
Bild 1/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Pluto in Echtfarben, fotografiert von New Horizons

Et­was zu ent­de­cken, was kein Mensch zu­vor ge­se­hen hat, ge­hört zu den auf­re­gends­ten Er­leb­nis­sen. So er­ging es den Wis­sen­schaft­lern der NA­SA-Missi­on New Ho­ri­z­ons, als ih­re Son­de nach über neun­jäh­ri­gem Flug ihr Ziel er­reich­te, den Zwerg­pla­ne­ten Plu­to. Am 13. Ju­li 2015 (der ei­gent­li­che Plu­to-Vor­beiflug er­folg­te am 14. Ju­li) funk­te New Ho­ri­z­ons aus 4,8 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­tern Ent­fer­nung die­ses ers­te hoch­auf­ge­lös­te Bild des Him­mels­kör­pers zur Er­de. Auf Te­le­sko­p­auf­nah­men wa­ren auf dem 2.400 Ki­lo­me­ter durch­mes­sen­den eins­ti­gen neun­ten Pla­ne­ten nur sche­men­haft Hel­lig­keits­un­ter­schie­de zu er­ken­nen ge­we­sen. Nun of­fen­bar­te sich den For­schern ei­ne viel­ge­stal­ti­ge Eis­welt, die vor mehr als vier Mil­li­ar­den Jah­ren Ge­stalt an­nahm, aber noch in jün­ge­rer geo­lo­gi­scher Ver­gan­gen­heit Ver­än­de­run­gen durch dy­na­mi­sche Pro­zes­se er­fuhr. Und Plu­to ‚zeig­te Herz‘: der Um­riss des spä­ter nach Plu­tos  Ent­de­cker "Tom­baugh Re­gio" ge­nann­ten Ge­biets sorg­te für ma­xi­ma­le Me­di­en­auf­merk­sam­keit.
New Horizons und andere Raumsonden an den Grenzen des Sonnensystems
New Ho­ri­z­ons und an­de­re Raum­son­den an den Gren­zen des Son­nen­sys­tems
Bild 2/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

New Horizons und andere Raumsonden an den Grenzen des Sonnensystems

Nach dem Vor­beiflug an Plu­to konn­te New Ho­ri­z­ons zu ei­nem wei­te­ren Kör­per im Kui­per­gür­tel ma­nö­vriert wer­den, ei­ner Re­gi­on jen­seits des Nep­tun, in der zahl­rei­che ei­si­ge Kör­per bis zu ei­ner Son­nenent­fer­nung von 18 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­tern vor­kom­men. Am 1. Ja­nu­ar 2019 flog die Son­de dann an dem 31 Ki­lo­me­ter großen Dop­pel­kör­per Ar­ro­koth (MU69) vor­bei und dringt seit­dem noch tie­fer ins All vor. Un­längst hat sie die Ent­fer­nung von acht Mil­li­ar­den Ki­lo­me­tern zur Son­ne über­schrit­ten. Da­mit ist New Ho­ri­z­ons je­doch nicht die al­ler­f­erns­te Raum­son­de: Pio­neer 10 (Start: 1972; Kon­takt bis 2003) ist mit et­wa 19 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­tern noch wei­ter von der Son­ne ent­fernt, ih­re Schwes­ter­son­de Pio­neer 11 (Start 1973, letz­ter Kon­takt 1995) hat schon knapp 16 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­ter Son­nen­di­stanz er­reicht. Den Ent­fer­nungs­re­kord hält die Raum­son­de Voya­ger 1 (Start 1977), die das Son­nen­sys­tem in­zwi­schen ver­las­sen hat und fast 22,5 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­ter von der Son­ne ent­fernt ist, wäh­rend ih­re Schwes­ter­son­de Voya­ger 2 (Start 1977) bis­her "nur" 18 Mrd. Ki­lo­me­ter Ab­stand  er­reicht hat; im Jahr 2023 wird sie Pio­neer 10 ‚über­ho­len‘. Auf bei­den Voya­ger-Missio­nen funk­tio­nie­ren noch ei­ni­ge In­stru­men­te, die Mess­da­ten zum in­ter­stel­la­ren Ma­gnet­feld und zur Plas­maum­ge­bung zur Er­de sen­den.
Vorbeiflug von New Horizons 2015 an Pluto und Charon
Vor­beiflug von New Ho­ri­z­ons 2015 an Plu­to und Cha­ron
Bild 3/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Vorbeiflug von New Horizons 2015 an Pluto und Charon

Um ihr Ziel, das Dop­pel­kör­per­sys­tem Plu­to-Cha­ron, er­rei­chen zu kön­nen, durf­te New Ho­ri­z­ons nur we­nig Mas­se ha­ben: Bei ih­rem Start am 19. Ja­nu­ar 2006 wog die Raum­son­de le­dig­lich 478 Ki­lo­gramm. Da­her war es nicht mög­lich, die Son­de als Or­bi­ter zu ge­stal­ten, da Treib­stoff und Brem­strieb­wer­ke zum Ein­schwen­ken in ei­ne Bahn um Plu­to zu viel Mas­se be­deu­tet hät­ten. Trotz­dem konn­ten sie­ben Ex­pe­ri­men­te zur Er­for­schung der fer­nen Eis­welt des Plu­to mit­ge­führt wer­den. Mit ei­ner Flucht­ge­schwin­dig­keit von 58.356 km/h war New Ho­ri­z­ons  das schnells­te men­schen­ge­mach­te Ob­jekt, das die Er­de je ver­ließ.
Eis-Berge auf Pluto und Eis-Polygone in Tombaugh Regio
Eis-Ber­ge auf Plu­to und Eis-Po­ly­go­ne in Tom­baugh Re­gio
Bild 4/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Eis-Berge auf Pluto und Eis-Polygone in Tombaugh Regio

Die­ser aus meh­re­ren Auf­nah­men zu­sam­men­ge­setz­te Bild­strei­fen zeigt Plu­to in ei­ner der höchs­ten Auf­lö­sun­gen, die mit der Ka­me­ra LOR­RI und dem Auf­nah­me­sys­tem Ralph/MVIC (Mul­ti­vi­su­al Ima­ging Ca­me­ra) beim Vor­beiflug am 14. Ju­li 2015 aus 17.000 Ki­lo­me­tern Di­stanz er­zielt wur­den. Auf den Bil­dern kön­nen De­tails von der Grö­ße ei­ner Sport­hal­le er­kannt wer­den; die bes­te Auf­lö­sung lag bei 77 Me­tern pro Bild­punkt (Pi­xel). Die über die LOR­RI-Bil­der ge­leg­ten Farb­da­ten ha­ben ei­ne nied­ri­ge­re Auf­lö­sung. Der Bild­aus­schnitt zeigt ei­nen 80 Ki­lo­me­ter brei­ten Strei­fen der ei­si­gen Land­schaft Plu­tos, mit der auf­fal­lend glat­ten Ebe­ne Sput­nik Pla­num in der rech­ten Bild­hälf­te und den et­wa 1.500 Me­ter ho­hen al-Idri­si-Ber­gen in der lin­ken Bild­hälf­te. Es ist der Über­gang von der durch Eis­po­ly­go­ne ge­präg­ten, herz­för­mi­gen Tom­baugh Re­gio zu ei­nem Ge­bir­ge aus sprödem Was­se­reis.
Plutos geschichtete Atmosphäre
Plu­tos ge­schich­te­te At­mo­sphä­re
Bild 5/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Plutos geschichtete Atmosphäre

Nur 15 Mi­nu­ten nach ih­rer größ­ten An­nä­he­rung an Plu­to am 14. Ju­li 2015 blick­te die NA­SA-Raum­son­de New Ho­ri­z­ons zu­rück in Rich­tung Son­ne und hielt die­sen Blick auf die rau­en, ei­si­gen Ber­ge und fla­chen Ei­sebe­nen, die sich bis zum Ho­ri­zont von Plu­to er­stre­cken, fest. Die glat­te Flä­che der ei­si­gen Ebe­ne Sput­nik Pla­num (rechts) wird im Wes­ten (links) von schrof­fen Ber­gen flan­kiert, die bis zu 3.500 Me­ter hoch ra­gen, ein­schließ­lich der Nor­gay Mon­tes im Vor­der­grund und den Hil­la­ry Mon­tes na­he dem Ho­ri­zont. Rechts, öst­lich von Sput­nik Pla­num wird rau­e­res Ge­län­de von Eis­flä­chen durch­schnit­ten, die an Glet­scher er­in­nern. Die Per­spek­ti­ve ge­gen das schwa­che Licht der Son­ne hebt mehr als ein Dut­zend Dunst­schich­ten in Plu­tos zar­ter, aber über 100 Ki­lo­me­ter ho­her At­mo­sphä­re her­vor. Das Bild wur­de aus ei­ner Ent­fer­nung von 18.000 Ki­lo­me­tern hin­ter Plu­to auf­ge­nom­men. Die Sze­ne ist 1.250 Ki­lo­me­ter breit.
Charon, Plutos größter Mond
Cha­ron, Plu­tos größ­ter Mond
Bild 6/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Charon, Plutos größter Mond

Cha­ron ist der größ­te Mond Plu­tos. Das Bild wur­de am 14. Ju­li 2015 kurz vor der größ­ten An­nä­he­rung an das Dop­pel­kör­per­sys­tem auf­ge­nom­men. Es kom­bi­niert blaue, ro­te und in­fra­ro­te Bil­der, die mit der Ralph/Mul­tispec­tral Vi­su­al Ima­ging Ca­me­ra (MVIC) von New Ho­ri­z­ons auf­ge­nom­men wur­den. Die Far­ben sind kon­trast­ver­stärkt, um die Va­ria­tio­nen der Ober­flä­che auf Cha­ron her­vor­zu­he­ben. Am auf­fäl­ligs­ten sind die rost­brau­nen Farb­tö­ne der Nord­pol­re­gi­on Mor­dor Ma­cu­la (oben). Es han­delt sich ver­mut­lich um ei­ne kom­ple­xe Mi­schung or­ga­ni­scher Mo­le­kü­le wie Koh­len­stoff, Stick­stoff und Was­ser­stoff, die sich un­ter der Ein­wir­kung ul­tra­vio­let­ter Strah­lung und den Par­ti­keln des Son­nen­win­des aus dem Ober­flä­chen­ma­te­ri­al bil­den und "Tho­li­ne" ge­nannt wer­den. Cha­ron hat ei­nen Durch­mes­ser von 1.212 Ki­lo­me­tern. Die Bild­auf­lö­sung be­trägt 2,9 Ki­lo­me­ter pro Bild­punkt (Pi­xel).
Arrokoth, zweites Ziel von New Horizons
Ar­ro­koth, zwei­tes Ziel von New Ho­ri­z­ons
Bild 7/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Arrokoth, zweites Ziel von New Horizons

Am 1. Ja­nu­ar 2019 pas­sier­te New Ho­ri­z­ons in 6,5 Mil­li­ar­den Ki­lo­me­ter Ent­fer­nung zur Son­ne das 31 Ki­lo­me­ter lan­ge Kui­per­gür­te­l­ob­jekt Ar­ro­koth mit mehr als 51.000 Ki­lo­me­tern pro Stun­de in ei­ner Di­stanz von nur 3.000 Ki­lo­me­tern. Der klei­ne ei­si­ge Kör­per ist da­mit das von der Er­de aus ferns­te Ob­jekt des Son­nen­sys­tems, das vor Ort er­kun­det wer­den konn­te. Spek­tral­mes­sun­gen zei­gen, dass die röt­li­che Fär­bung auf den Ver­bin­dun­gen Me­tha­nol (CH3OH), Blau­säu­re (HCN) und Was­se­reis so­wie ei­ni­ger Koh­len­was­ser­stoff­ver­bin­dun­gen be­ruht. We­gen der großen Di­stanz der Son­de zur Er­de wird die Da­ten­über­tra­gung vom Vor­beiflug an Ar­ro­koth noch bis En­de 2020 an­dau­ern.
Parallaxen-Messungen an nahen Sternen
Par­al­la­xen-Mes­sun­gen an na­hen Ster­nen
Bild 8/9, Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Parallaxen-Messungen an nahen Sternen

An­hand der gra­phi­schen Il­lus­tra­ti­on wird deut­lich, wie New Ho­ri­z­ons die Ba­sis für die Stel­lar­par­al­la­xe, d.h. für die astro­no­misch-tri­go­no­me­tri­sche Be­stim­mung der Ent­fer­nung zu Fix­ster­nen, ef­fek­tiv ver­grö­ßert hat. Bei erd­ge­bun­de­nen Mes­sun­gen steht dem Be­ob­ach­ter im Ab­stand von 182 Ta­gen le­dig­lich ei­ne ma­xi­ma­le Ba­sis­län­ge von zwei Astro­no­mi­schen Ein­hei­ten (1 AE = 150 Mil­lio­nen Ki­lo­me­ter) zur Ver­fü­gung, ent­spre­chend klein sind die ge­mes­se­nen Win­kel und die schein­ba­re Orts­ver­än­de­rung ent­lang der un­ter­schied­li­chen Seh­strah­len. Durch New Ho­ri­z­ons wur­de die Ba­sis­län­ge auf 47 AE aus­ge­dehnt; dem­zu­fol­ge ist die schein­ba­re Po­si­ti­ons­än­de­rung ei­nes na­hen Sterns in Be­zug auf weit ent­fern­te Hin­ter­grunds­ter­ne grö­ßer und auf­fäl­li­ger. Den­noch er­ge­ben die her­kömm­li­chen Par­al­la­xen­mes­sun­gen bis­her ei­ne bes­se­re Ge­nau­ig­keit, weil die Zahl der Be­ob­ach­tun­gen an den ein­zel­nen Ster­nen hö­her ist. Die höchs­ten Ge­nau­ig­kei­ten der Ent­fer­nungs­be­stim­mung wer­den der­zeit mit dem Gaia-Astro­me­trie-Sa­tel­li­ten der ESA er­zielt, der die Ster­ne der Milch­stra­ße vom La­gran­ge­punkt L2 aus ob­ser­viert.
‚Amerikanische Planetenentdeckung‘ mit deutscher Technik
‚Ame­ri­ka­ni­sche Pla­ne­tenent­de­ckung‘ mit deut­scher Tech­nik
Bild 9/9, Credit: Lowell Observatory Archives

‚Amerikanische Planetenentdeckung‘ mit deutscher Technik

Cly­de Tom­baugh ver­wen­de­te 1930 wie vie­le Astro­no­men zur Su­che nach neu­en Ob­jek­ten im Son­nen­sys­tem ei­nen so­ge­nann­ten Blink-Kom­pa­ra­tor der Fir­ma Carl Zeiss aus Je­na. Das Prin­zip be­ruht dar­in, zwei zu un­ter­schied­li­chen Nacht­zei­ten be­lich­te­te Glas-Fo­to­plat­ten des­sel­ben Stern­fel­des ab­wech­selnd in schnel­ler Fol­ge durch ein Oku­lar zu be­trach­ten – zu­erst die lin­ke und dann die rech­te Fo­to­plat­te usw. Ob­jek­te mit ei­ner leicht ver­än­der­ten Po­si­ti­on schei­nen auf­fäl­lig hin und her zu sprin­gen. So konn­te Tom­baugh den vor dem Fix­stern­hin­ter­grund wan­dern­den Licht­punkt des ge­such­ten Pla­ne­ten X ent­de­cken, der ihn be­rühmt mach­te.
  • Schnellste Raumsonde, die sich je von der Erde entfernt hat.
  • Beim Vorbeiflug 2015 zeigen Fotos und Messdaten von Pluto und seinem Mond Charon eine bizarre, dynamische Eiswelt.
  • Zweites Ziel war 2019 das 30 Kilometer große Kuipergürtelobjekt Arrokoth.
  • New Horizons ist so weit von der Erde entfernt, dass nun Parallaxenmessungen an nahen Sternen möglich sind.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Planetenforschung, Exploration des Sonnensystems, Astronomie

Vor fünf Jahren flog am 14. Juli 2015 die kleine US-Raumsonde New Horizons durch das entfernte Pluto-Charon-System. Während der Passage führte sie einzigartige wissenschaftliche Messungen durch und sandte aufsehenerregende Bilder zur Erde, die eine bewegte Vergangenheit und unerwartet dynamische Entwicklung des sonnenfernen Binärkörpersystems enthüllten. Ein Anlass, zum fünften Jahrestag des Plutovorbeiflugs eine Rückschau auf diese einzigartige raumfahrttechnische Meisterleistung und die wissenschaftlichen Erkenntnisse einer herausragenden Mission zur Erforschung von eisigen Himmelskörpern am äußeren Rand des Sonnensystems zu halten. Beim Radioexperiment REX auf New Horizons sind deutsche Planetenwissenschaftler beteiligt.

Als am 18. Februar 1930 der amerikanische junior astronomer Clyde Tombaugh (1906-1997) am Lowell-Observatorium in Flagstaff, Arizona, ein lang gesuchtes Objekt, den suspekten Planeten X, jenseits des Neptun fand, hatte er die Entdeckung seines Lebens gemacht. Dieser neue, der neunte ‚Planet‘ und mit einem Durchmesser von knapp 2.400 Kilometern relativ kleine Himmelskörper, der bald darauf den Namen Pluto bekam, war jetzt gewissermaßen der planetare Außenposten unseres Sonnensystems – eine Rolle, die seit 1846 bisher Neptun innehatte. Und dies blieb Pluto bis zum Jahre 1992, als man auf dem hawaiianischen Mauna-Kea-Observatorium mit (15760) Albion ein noch weiter als Pluto entferntes transneptunisches Objekt (TNO) aufspürte, einen kleinen unregelmäßig geformten Körper mit nur 100 bis 150 Kilometer Durchmesser. In rascher Folge entdeckte man weitere TNOs, deren Zahl bis heute auf mehr als tausend angewachsen ist und die für Planetenforscher aufschlussreiche naturgeschichtliche Archive darstellen, aber auch zahlreiche neue Fragen zur Entstehungsgeschichte und Entwicklung des Sonnensystems aufwerfen.

Der lange Weg der NASA-Mission New Horizons vor dem Start und bis ans Ziel

Seit Plutos Entdeckung dauerte es rund ein halbes Jahrhundert, bis die NASA ins Auge fasste, den (Zwerg-)Planeten am Rande des Sonnensystems mit einer kleinen Raumsonde anzufliegen und zu erkunden. Dafür mit auschlaggebend war gewiss auch die Entdeckung des Plutomondes Charon, der dem amerikanischen Astronomen James W. Christy am US Naval Observatory im Juni 1978 auf hochauflösenden Fotografien als eine Ausbuchtung des Plutoscheibchens auffiel und die periodisch in 6,4 Tagen um das Bildzentrum wanderte. Charon ist mit einem Durchmesser von 1.212 Kilometern und einem Achtel der Masse Plutos ein vergleichsweise großer und massereicher Trabant seines ‚Planeten‘, weshalb häufig vom Doppelkörpersystem Pluto-Charon gesprochen wird.

Doch erst im Dezember 2000 hatte sich eine Missionsvorschlag soweit konsolidiert, das nicht nur in den Köpfen, sondern auch ‚mechanisch‘ eine Sonde fertiggebaut wurde: New Horizons – ein Name, der dem Leiter der Mission, Alan Stern, während einer Gebirgswanderung einfiel, als er seinen Blick von einem Berg zum Horizont schweifen ließ. Nach gut weiteren fünf Jahren war es dann soweit: New Horizons wurde am 19. Januar 2006 von Cape Canaveral aus zum Pluto gestartet. Im Juli 2015 erreichte die Sonde schließlich ihr Ziel; ein Start, knapp einen Monat später, hätte die Ankunft der Sonde um fünf Jahre (!) verzögert.

Vorbeiflug von New Horizons 2015 an Pluto und Charon
Vorbeiflug von New Horizons 2015 an Pluto und Charon
Um ihr Ziel, das Doppelkörpersystem Pluto-Charon, erreichen zu können, durfte New Horizons nur wenig Masse haben: Bei ihrem Start am 19. Januar 2006 wog die Raumsonde lediglich 478 Kilogramm. Daher war es nicht möglich, die Sonde als Orbiter zu gestalten, da Treibstoff und Bremstriebwerke zum Einschwenken in eine Bahn um Pluto zu viel Masse bedeutet hätten. Trotzdem konnten sieben Experimente zur Erforschung der fernen Eiswelt des Pluto mitgeführt werden. Mit einer Fluchtgeschwindigkeit von 58.356 km/h war New Horizons  das schnellste menschengemachte Objekt, das die Erde je verließ.
Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Masse, Beschleunigung, Astronomie: ein Wettlauf gegen die Zeit

Die unzähligen Schritte der Überzeugungsarbeit und vielfältigen Entscheidungen, bis eine Mission an der Spitze einer Trägerrakete auf dem Startplatz steht und der Countdown gezählt wird, sind meist schwieriger zu meistern, als die Planung und technische Umsetzung der wissenschaftlichen Experimente. Am Ende war es ein astronomischer Aspekt, der New Horizons schon am Boden ‚beschleunigte‘: Pluto hat eine stark exzentrische Sonnenumlaufbahn, deren sonnennächster Punkt bei 4,5 Milliarden Kilometern Entfernung liegt. Diesen hatte der Himmelskörper 1989 durchlaufen und sich seither wieder vom Zentralgestirn entfernt. Ihr sonnenfernster Punkt befindet sich nämlich in einer Distanz von 7,4 Milliarden Kilometern, und für einen Sonnenumlauf benötigt Pluto 248 Jahre. Eine weitere Verzögerung hätte also eine immer längere Reisezeit zu Pluto bedeutet, aber auch wissenschaftliche Einbußen mit sich gebracht. Denn mit zunehmender Entfernung zur Sonne wäre die hauchdünne Atmosphäre Plutos kondensiert und als Eis auf die Oberfläche gerieselt, hätte also nicht mehr untersucht werden können.

Um Pluto überhaupt erreichen zu können, durfte die Sonde nur sehr wenig Masse haben. Inklusive Treibstoff waren es keine 500 Kilogramm. Darüber hinaus wurde die Atlas-Trägerrakete mit einer zusätzlichen Schubstufe versehen, die New Horizons auf eine Fluchtgeschwindigkeit von 16,21 Kilometern pro Sekunde (58.356 km/h) beschleunigte, der höchsten Geschwindigkeit, mit der eine Raumsonde je die Erde verlassen hatte. Nach der neuneinhalb Jahre langen Reise, mit einem Swingby-Manöver am Riesenplaneten Jupiter zur weiteren Beschleunigung der Sonde, flog New Horizons dann vor fünf Jahren am 14. Juli 2015 um 13.50 Uhr MESZ, etwa 4,8 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt, in einer Distanz von weniger als einem Erddurchmesser über Plutos Oberfläche hinweg und an seinen Monden vorbei.

Das Kamel schießt durchs Nadelöhr: Durch die Bahnebene der Plutomonde

New Horizons musste fast senkrecht durch die Ebene fliegen, in der die Monde Charon, Nix, Hydra, Kerberos und Styx Pluto umkreisen. Bei der Planung war dies ein Aspekt großer Unsicherheit: Denn es hätten sich weitere, noch unentdeckte Monde oder Eis- und Gesteinsringe in dieser Ebene befinden können, die teleskopisch nicht entdeckt und zur Gefahr werden konnten. Beobachtungen wenige Tage vor dem Flyby sorgten für Erleichterung: Die Aufnahmen zeigten keine neuen Hindernisse. Für den Vorbeiflug war in jahrelanger Programmierarbeit jede Beobachtung und Messung auf die Sekunde festgelegt: Binnen weniger Stunden kamen sieben wissenschaftliche Bordexperimente zum Einsatz. Neben drei optischen Geräten, dem UV-Spektrometer ‚Alice‘ sowie den hochauflösenden Kamerasystemen LORRI und ‚Ralph‘, nahmen die beiden Plasma-Instrumente PEPSSI und SWAP, der Staubdetektor ‚Venetia‘ und das Radioexperiment REX eingehende Messungen an dieser fernen, eiskalten Welt vor. REX ist das einzige Instrument auf New Horizons, an dem mit den deutschen Planetenforschern des Rheinischen Instituts für Umweltforschung an der Universität zu Köln (EURAD) deutsche Wissenschaftler beteiligt sind (siehe Kasten). Finanziell gefördert wurde ihre Beteiligung vom Raumfahrtmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.

Ein Herz aus Eis, schlammiger Bodenbelag, Kristalleisgebirge und ein Putzmittel

Pluto und sein Mondsystem entpuppten sich vor den Augen der Bordkameras als eine bizarre Welt mit einer bewegten Vergangenheit und vielleicht sogar dynamischen Gegenwart – ein Resultat, mit dem in diesem Ausmaß kein Wissenschaftler zuvor gerechnet hatte und welches ihren Puls buchstäblich beschleunigte: Unter Planetenforschern legendär ist Alan Sterns Ausbruch an Begeisterung, als er die ersten Nahaufnahmen auf dem Bildschirm zu sehen bekam. Jahrzehntelang hatten die Forscher darauf gewartet. Bekannt war von Pluto und Charon bis dato nicht viel, zu klein ist diese ferne Welt selbst für das Hubble-Weltraumteleskop, das nur schemenhaft Helligkeitsunterschiede auf zwei winzigen Lichtscheibchen erkennen ließ. Im Schnitt kommen dort nur fünf Zehntausendstel des Sonnenlichts an, das auf die Erde fällt, die Tagestemperatur beträgt minus 234 Grad Celsius.

Eis-Berge auf Pluto und Eis-Polygone in Tombaugh Regio
Eis-Berge auf Pluto und Eis-Polygone in Tombaugh Regio
Dieser aus mehreren Aufnahmen zusammengesetzte Bildstreifen zeigt Pluto in einer der höchsten Auflösungen, die mit der Kamera LORRI und dem Aufnahmesystem Ralph/MVIC (Multivisual Imaging Camera) beim Vorbeiflug am 14. Juli 2015 aus 17.000 Kilometern Distanz erzielt wurden. Auf den Bildern können Details von der Größe einer Sporthalle erkannt werden; die beste Auflösung lag bei 77 Metern pro Bildpunkt (Pixel). Die über die LORRI-Bilder gelegten Farbdaten haben eine niedrigere Auflösung. Der Bildausschnitt zeigt einen 80 Kilometer breiten Streifen der eisigen Landschaft Plutos, mit der auffallend glatten Ebene Sputnik Planum in der rechten Bildhälfte und den etwa 1.500 Meter hohen al-Idrisi-Bergen in der linken Bildhälfte. Es ist der Übergang von der durch Eispolygone geprägten, herzförmigen Tombaugh Regio zu einem Gebirge aus sprödem Wassereis.
Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Bei diesen Temperaturen frieren die meisten Gase aus. Pluto ist daher von einem Gemisch aus Wasser-, Stickstoff-, Methan-, Kohlenmonoxid-, Kohlendoxid- und Ammoniakeis bedeckt und gegenwärtig, noch in ‚Sonnennähe‘, von einer hauchdünnen Atmosphäre umgeben. Diese besteht aus Stickstoff (mit etwas Kohlenmonoxid und Methan); sie ist - das zeigten die neuen, gegen den Horizont aufgenommenen Bilder - geschichtet und reicht bis in eine Höhe von 1.600 Kilometern. Die mittlere Dichte von Pluto beträgt 1.860 Kilogramm pro Kubikmeter: Daraus lässt sich ableiten, dass Pluto zu mehr als zwei Dritteln aus Gestein und zu 30 Prozent aus Eis verschiedener Zusammensetzung besteht. Das bedeutet, dass die Gesteinsmasse groß genug ist, um nach der Entstehung des Zwergplaneten durch den Zerfall radioaktiver Elemente im Inneren ausreichend Wärme zu erzeugen, so dass sich im Zentrum ein Gesteinskern bilden konnte, der von einer mächtigen Eisschicht umgeben ist. Mehr noch, es könnte genügend Energie vorhanden sein, um auch heute noch dynamische Prozesse in der Eisschicht antreiben zu können.

Tatsächlich blickten die Wissenschaftler zum einen zwar auf eine dunkle Oberfläche, die voller Einschlagskrater war und vermutlich schon vor vier Milliarden Jahren erstarrte; aber auch auf riesige helle kraterfreie Flächen aus blankem Eis, die seit weniger als 100 Millionen Jahren existieren oder teils sogar erst vor kurzer Zeit entstanden sind. Zahlreiche Polygone, die ein wabenartiges Muster in die Eisebene Sputnik Planum zeichnen, werden als erstarrte Konvektionszellen interpretiert, in denen flüssiges oder plastisches Material an die Oberfläche gelangte und ausfror. Und als ob die Natur wüsste, wie eine Landschaft medienwirksam auszusehen hat, gestaltete sie diese über eintausend Kilometer große Eisfläche mit den Umrissen eines Herzens, der man nach dem Entdecker Plutos den Namen Tombaugh Regio gab.

Eine weitere Überraschung war die Entdeckung gewaltiger hochgebirgsartiger Landschaften mit den Norgay und Hillary Montes, Bergen von bis zu 3.500 Metern Höhe, die jedoch nicht aus Stein und Fels bestehen, sondern aus einer Tieftemperatur-Modifikation von Wassereis extremer Härte, die verhindert, dass diese Eisriesen an der Basis durch das Eigengewicht in sich zusammenschmelzen. Das dunkle, rötlich-braune Material im Norden Plutos, das sich auch auf Charon findet, besteht vermutlich aus einer komplexen Mischung organischer Moleküle wie Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, die sich in der Atmosphäre von Gasplaneten, Monden oder Kometen unter der Einwirkung ultravioletter Strahlung und den Partikeln des Sonnenwindes aus dem Oberflächenmaterial bilden. Sie werden "Tholine" (griechisch für "schlammig") genannt. Auf Charon identifizierten die Wissenschaftler außerdem Wassereiskristalle, die auch Spuren von Ammoniumhydroxid (NH4OH) enthalten – im Haushalt als Putzmittel unter dem Begriff Salmiakgeist bekannt.

Der zweite Streich: Vorbeiflug am 30 Kilometer großen Arrokoth an Neujahr 2019

Nach dem perfekten und wissenschaftlich so ergiebigen Vorbeiflug am Pluto setzte New Horizons seinen Flug durch den Kuipergürtel fort. Diese die acht Planetenbahnen umgebende schlauchförmige Region, gelegentlich auch als Kuiper-Edgeworth-Gürtel bezeichnet, ist die kosmische Heimat eisiger, teils extrem primitiver Körper von wenigen Kilometern Größe bis hin zu mehreren tausend Kilometern Durchmesser. Zwergplaneten wie Pluto, Eris, Makemake und Haumea zählen als bekannte Objekte dazu. Der Kuipergürtel schließt unmittelbar an den äußeren Planeten Neptun an und erstreckt sich ungefähr bis in eine Sonnenentfernung von 18 Milliarden Kilometern. Er ist zugleich das Reservoir für die meisten kurzperiodischen Kometen. Alle Objekte des Kuipergürtels zusammengenommen machen nur einen Bruchteil der Masse der Erde aus.

Bereits vor der Ankunft am Pluto hatte man mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops ein weiteres transneptunisches Objekt erspäht, das für einen relativ nahen Vorbeiflug nach New Horizons Rendezvous mit Pluto geeignet erschien. Anfangs erhielt das neue Objekt die Kennzeichnung 1110113Y und im Mai 2015, nachdem seine Bahn hinreichend genau bestimmt worden war, die offizielle Bezeichnung 2014 MU69. Im März 2018 wählte das New-Horizons-Team aus eingereichten Vorschlägen "Ultima Thule" als vorläufigen Namen aus, angelehnt an den nördlichsten Landpunkt der Erde an der Nordspitze Grönlands, ein Ort, um den sich seit der Antike ähnlich viele Geschichten rankten wie um Atlantis. Inzwischen wurde er in "Arrokoth" umbenannt, was in der Sprache der Algonkin "Himmel" bedeutet. Arrokoth umkreist die Sonne in einer Distanz zwischen 6,4 und knapp 7,0 Milliarden Kilometern und ist derzeit rund 44 Astronomische Einheiten (1 AE = 150 Millionen Kilometer) von ihr entfernt.

In den Jahren 2017 und 2018 ergaben sich anhand der Beobachtung von Sternbedeckungen durch Arrokoth erste Anhaltspunkte, dass das Objekt möglicherweise aus zwei Körpern besteht, die sich umkreisen. Entscheidend beteiligt an diesen Messungen war auch das Flugzeugobservatorium SOFIA des DLR und der NASA. Die vielversprechenden Voruntersuchungen bestätigten sich, als New Horizons am 1. Januar 2019 mit 14,3 Kilometern pro Sekunde (51.500 km/h) nur 3.000 km entfernt an Arrokoth vorbeisauste und Bilder lieferte, die an die Gestalt des Kerns des Kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko erinnerten, auf dem die europäische Rosetta-Landesonde Philae gut fünf Jahre zuvor gelandet war.

Arrokoth, zweites Ziel von New Horizons
Arrokoth, zweites Ziel von New Horizons
Am 1. Januar 2019 passierte New Horizons in 6,5 Milliarden Kilometer Entfernung zur Sonne das 31 Kilometer lange Kuipergürtelobjekt Arrokoth mit mehr als 51.000 Kilometern pro Stunde in einer Distanz von nur 3.000 Kilometern. Der kleine eisige Körper ist damit das von der Erde aus fernste Objekt des Sonnensystems, das vor Ort erkundet werden konnte. Spektralmessungen zeigen, dass die rötliche Färbung auf den Verbindungen Methanol (CH3OH), Blausäure (HCN) und Wassereis sowie einiger Kohlenwasserstoffverbindungen beruht. Wegen der großen Distanz der Sonde zur Erde wird die Datenübertragung vom Vorbeiflug an Arrokoth noch bis Ende 2020 andauern.
Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Doch erst eine genaue Analyse offenbarte die Andersartigkeit: Während der Kometenkern im Ganzen doch eine gewisse räumliche Tiefe aufweist, sind die beiden Teile Arrokoths von ziemlich flacher Struktur und, wie allerdings auch 67P, kraterarm. Letzteres ist ein starkes Indiz, das uns die Oberfläche einen manifesten Einblick in die Anfangszeit unseres Sonnensystem erlaubt, weil es kaum Veränderungen durch chemische Reaktionen infolge Sonnenlicht oder die bei Einschlägen freigesetzte Energie gab. Und in der Tat zeigen sich bei einer genauen geologischen Analyse der Aufnahmen jene Formationen, von denen man annimmt, dass sie die allerersten "building blocks" bei der Entstehung der beiden Einzelkörper waren, genau so, wie es die Planetologen schon lange vermuteten.

Die Bilder, die man während des Vorbeiflugs gewann, zeigten, dass Arrokoth zwar aus zwei Einzelkörpern besteht, die aber entlang ihrer Längsachsen zu einer 31 Kilometer großen ‚Erdnuss‘ zusammengewachsen sind, zu einem sogenannten ‚contact binary‘: einem Körper, der sich durch Kontakt mit einem zweiten Körper verbunden hat. Vermutlich ist dies ein im äußeren Sonnensystem häufig ablaufender Prozess, denn auch der von der Rosetta-Sonde der ESA besuchte Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko entstand, wie Analysen nahelegen, durch einen sanften Kontakt zweier kleinerer Ursprungskörper. Farblich besteht zwischen den beiden rostbraun getönten Einzelkörpern kein Unterschied, lediglich der gerade noch auszumachende ‚Nacken‘ in der Kontaktzone ist deutlich heller. Die rötliche Färbung beruht Spektralmessungen zufolge auf den Verbindungen Methanol (CH3OH), Blausäure (HCN), Wassereis und einiger Kohlenwasserstoffverbindungen. Wegen New Horizons großer Entfernung ist die Übertragung der Daten vom Vorbeiflug an Arrokoth zur Erde auch nach anderthalb Jahren nicht abgeschlossen und wird noch bis Ende 2020 andauern. Erst dann wird es endgültige Ergebnisse geben.

Erste Fixstern-Parallaxenmessung mit einer Raumsonde

Erst jüngst hat New Horizons einen weiteren Rekord gebrochen. Jenseits von Arrokoths Umlaufbahn hat die Sonde in einer Distanz von rund 47 AE zwei nahe Fixsterne angepeilt und so die erste interplanetare Parallaxenmessung ermöglicht, dessen Resultat am 11. Juni bekannt gegeben wurde.

Am 22. und 23. April dieses Jahres machte die Raumsonde fern von Erde und Sonne Aufnahmen zweier Sterne, die unserem Sonnensystem relativ nah stehen, Proxima Centauri und Wolf 359 im Sternbild des Löwen. Vergleicht man die Bilder der Sonde mit denen, die zur gleichen Zeit von der Erde aus im gleichen Sternfeld gewonnen wurden, erkennt man deutlich, wie die beiden Sterne in Bezug auf die mehr als 100fach weiter entfernten Hintergrundsterne jeweils eine geringfügig andere Position einnehmen. Astronomisch bezeichnet man das als Parallaxeneffekt.

"Das trigonometrische Parallaxenverfahren spielte und spielt in der Astronomie eine entscheidende Rolle, denn damit lässt sich gut die Entfernung naher Sterne in einem Umkreis von etwa 100 Lichtjahren bestimmen", erläutert Dr. Manfred Gaida, Astronom und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). "Dieses Verfahren zur stellaren Entfernungsbestimmung ist gleichsam die erste Stufe auf der kosmischen Entfernungsleiter."

Das Grundprinzip der Messmethode ist dabei denkbar einfach und lässt sich mit dem Hin- und Herspringen des Daumens einer ausgestreckten Hand vor einer Wand vergleichen, wenn er abwechselnd mal mit dem linken und mal mit dem rechten Auge anvisiert wird. Was im Gesicht der Abstand der Pupillenmitten ist, ist bei den Astronomen der doppelte Erdbahnhalbmesser, also zweimal die große Halbachse der Erdbahnellipse oder zwei Astronomische Einheiten (AE), das heißt rund 300 Millionen Kilometer. Misst man die Position eines relativ nahen Sterns von zwei weit auseinanderliegenden Positionen auf der Erdbahn, z.B. im Frühjahr und im Herbst, lässt sich trigonometrisch die Distanz zu dem Stern ermitteln.

Stellarer Parallaxeneffekt mit einer Basislinie von sieben Milliarden Kilometern

Mit New Horizons konnte nun die Basislinie von 1 AE auf gut 47 AE vergrößert werden. Dadurch "springen" Proxima Centauri und Wolf 359 bei wechselnder Betrachtung der Erd- und Raumsondenaufnahmen auffallend vor den Fixsternen im Hintergrund hin und her – eine erst- und einmalige Visualisierung des stellaren Parallaxeneffekts, die vorher so nicht möglich war. Dem Projektleiter von New Horizons, Alan Stern, und seinem Team ist damit eine Meisterleistung in der experimentellen Astronomie gelungen.

Parallaxenmessungen an Wolf 359 und Proxima Centaur
Parallaxenmessungen an Wolf 359 und Proxima Centauri
Am 22. und 23. April dieses Jahres machte die Raumsonde fern von Erde und Sonne Aufnahmen zweier Sterne, die unserem Sonnensystem relativ nah stehen, Proxima Centauri und Wolf 359 im Sternbild des Löwen. Vergleicht man die Bilder der Sonde mit denen, die zur gleichen Zeit von der Erde aus im gleichen Sternfeld gewonnen wurden, erkennt man deutlich, wie die beiden Sterne in Bezug auf die mehr als 100fach weiter entfernten Hintergrundsterne jeweils eine geringfügig andere Position einnehmen. Mit diesem deutlichen ‚Parallaxeneffekt‘ eröffnen sich langfristig neue Perspektiven für die interstellare Navigation. Mit einem Sternkatalog an Bord eines Raumschiffes, der als Referenz die erdbasierten  Sternpositionen enthält, könnten anhand solcher Messungen Raumsonden sicher durch interstellare Weiten navigieren, wie einst die Seefahrer anhand der Gestirne über unbekannte Meere.
Credit: NASA/JHU-APL/SRI

Da Parallaxenwinkel sehr klein sind, d.h. bezogen auf den Erdbahnhalbmesser weniger als eine Bogensekunde betragen und der parallaktische Effekt von vielen anderen physikalischen Effekten wie zum Beispiel von der Aberration und der Eigenbewegung des Sterns überlagert wird, hat es lange gedauert, bis die erste Bestimmung einer Fixsternparallaxe glückte und dadurch die Tiefendimension des Kosmos erschlossen werden konnte. Viele Abschätzungen wurden jahrhundertelang unternommen, die Entfernung der Sterne auszuloten, doch erst ab dem Jahr 1835 kam der Durchbruch: Nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander führten die drei Astronomen Friedrich Georg Wilhelm von Struve (1819-1905), Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846) und Thomas Henderson (1791-1844) Parallaxenmessungen durch: Struve von der Sternwarte Dorpat aus an dem hellen Stern Wega im Sternbild Leier, Bessel von Königsberg aus an dem Stern 61 Cygni im Sternbild Schwan und Henderson am Cape Observatorium an α Centauri. Bessel hatte dabei mit 61 Cygni einen Stern ausgewählt, der durch eine hohe tangentiale Eigenbewegung von 5,2 Bogensekunden pro Jahr auffiel und es daher plausibel erschien, dass dieser Stern relativ sonnennah war. Bessel war es schließlich auch, dem man später die erste von der umfangreichen Datenlage her verlässliche Bestimmung einer Fixsternparallaxe zuschrieb, ohne dass es mit Struve oder Hendersen zu einem Prioritätenstreit über die Erstentdeckung kam.

Von Königsberg aus, der Heimatstadt Immanuel Kants, begann Bessel seine Untersuchungen im August 1837. Als Beobachtungsinstrument diente ihm dabei ein Heliometer des bayrischen Technikers Joseph von Utzschneider (1763-1840) und des berühmten Münchner Optikers Joseph von Fraunhofer (1787-1826), mit dessen Hilfe kleine Winkelabstände zwischen 61 Cyg und zweier benachbarter Sterne sehr genau gemessen werden konnten. Bis Oktober 1838 hatte Bessel insgesamt 183 Anschlüsse an den Positionen der beiden Nachbarsterne vorgenommen und konnte damit für 61 Cyg eine Parallaxe von 0,3136 ± 0,0202 Bogensekunden bestimmen, ein Wert, der bis heute auf 0,2859 ± 0,0001 Bogensekunden verbessert wurde. Ihm entspricht eine Distanz von 3,5 Parsec, dem Kehrwert des Bogensekundenwertes, oder von knapp 11 Lichtjahren von der Sonne. Damit gehört 61 Cygni zu den 20 sonnennächsten Sternen.

Elf Lichtjahre entsprechen unvorstellbaren 104 Billionen Kilometern. Die Distanz zu dem der Sonne nächstgelegenen Stern, Proxima Centauri, ist etwas geringer und beträgt "nur" 4,2 Lichtjahre oder 40 Billionen Kilometer, und zu dem Stern Wolf 359 sind es auch nur knapp acht Lichtjahre. Im Vergleich zum Durchmesser der Milchstraße von hunderttausend Lichtjahren sind diese Distanzen winzig klein, gemessen an den Abständen im Sonnensystem aber riesig.

Proxima Centauri am Südsternhimmel kann von Europa aus nicht beobachtet werden, sondern nur von Standorten aus, die südlicher als der 27. nördliche Breitengrad liegen. Der Stern hat eine geringe scheinbare Helligkeit elfter Größenklasse und wurde im Jahr 1915 von Robert Innes (1861-1933) in Johannesburg mit Hilfe eines Astrographen entdeckt. Innes fand heraus, dass die Eigengeschwindigkeit des neuentdeckten Sterns nahezu dieselbe ist wie bei α Centauri und schloss daraus, dass beide Sterne gravitativ zusammengehören. Er vermutete auch, dass Proxima Centauri der Sonne noch ein wenig näher stünde als α Centauri, der selber ein Doppelstern ist. Nachgewiesen wurde dies allerdings erst später durch den amerikanischen Astronomen Harold Lee Alden (1890-1964); nach ihm ist ein Krater auf der Mondrückseite benannt. Seit dem Jahre 2016 ist auch bekannt, dass Proxima Centauri von einem erdgroßen, planetaren Begleiter in elf Tagen umrundet wird.

Wolf 359 am nördlichen Fixsternhimmel, auch als CN Leonis oder Gliese 406 bekannt, ist ein roter Zwergstern mit einer scheinbaren Helligkeit der 13,5ten Größenklasse. Sein Name geht auf den Heidelberger Astronomen Max Wolf (1863-1932) zurück, der im Juni 1919, in demselben Jahr, in dem Albert Einstein durch den Nachweis der Lichtablenkung am Sonnenrand berühmt wurde, einen "Katalog von 1053 stärker bewegten Fixsternen" in den Veröffentlichungen der Badischen Sternwarte zu Heidelberg publizierte. Der darin aufgeführte 359. Stern ist derjenige, der jetzt, nachdem er bereits durch Raumschiff Enterprise bekannt wurde, von New Horizons erneut in das Licht der Öffentlichkeit gerückt ist.

Während man bei einer erdgebundenen Parallaxenbestimmung im Laufe eines halben oder ganzen Jahres viele zeitlich aufeinanderfolgende Positionsmessungen an einem bestimmten Stern durchführt, um aus der "Widerspiegelung" der Erdbahnellipse an der Himmelsphäre seine Entfernung zu berechnen, liegen bei der jetzigen interplanetaren Parallaxenmessung praktisch nur zwei gleichzeitig gewonnene Messpunkte vor, die jedoch 47 Astronomische Einheiten voneinander entfernt liegen. Da ein Parsec die Distanz ist, von der aus der Erdbahnhalbmesser (1 AE) unter einem Winkel von einer Bogensekunde erscheint, beträgt dieser Winkel, übertragen auf die Basislänge Sonne-New Horizons in erster Näherung nun das 47fache. Bezogen auf 1 AE beträgt für Wolf 359 die Parallaxe 0,415 und für Proxima Centauri 0,769 Bogensekunden. Im Unterschied zum Erdbahnwert wurden jetzt 16 Bogensekunden für Wolf 359 und für Proxima Centauri 32 Bogensekunden gemessen.

Auch wenn New Horizons Parallaxenmessungen keine Verbesserung der bereits bekannten Entfernungswerte liefern, sondern vor allem verdeutlichen sollen, wie sich der uns gewohnte Anblick des Sternenhimmels in größerer Distanz von der Erde perspektivisch verändert, so eröffnen sie doch langfristig neue Anwendungsmöglichkeiten – die interstellare Navigation. Mit einem Sternkatalog an Bord eines Raumschiffes, der als Referenz die erdbasierten Sternörter enthält, könnten anhand solcher Messungen Raumsonden sicher durch interstellare Weiten navigieren, wie einst die Seefahrer anhand der Gestirne über unbekannte Meere. Aber auch die Idee, die auf den berühmten amerikanischen Physiker Freeman Dyson (1923-2020) zurückgeht, Raumschiffe systematisch für stellare Parallaxenmessungen mit einer größeren Basis als die Astronomische Einheit zu verwenden, erfährt durch New Horizons Messungen eine Renaissance. Clyde Tombaugh, von dessen Asche der Sonde etwas mitgegeben wurde, wäre zweifellos über die Verwirklichung solcher Pläne sehr angetan. Die kleine Raumsonde New Horizons hat zweifellos ihrem Namen alle Ehre gemacht und uns allen wahrhaft neue Horizonte eröffnet.

Das Radiosondierungsexperiment REX und seine Resultate

Das Radiosondierungsexperiment REX, welches amerikanische Wissenschaftler an der Universität Stanford sowie deutsche Wissenschaftler am Rheinischen Institut für Umweltforschung an der Universität Köln und an der Universität der Bundeswehr München auf New Horizons betreiben, sondierte mit Radiowellen im X-Band im Bereich von 8,4 Gigahertz (4,2 cm) Plutos Atmosphäre, untersuchte Plutos und Charons Oberflächentemperaturen auf deren Tag- und Nachtseite und bestimmte die einzelnen Massen und Dichten beider Körper anhand der Dopplerverschiebung des Radiosignals.

Während des Vorbeifluges verschwand die Raumsonde von der Erde aus gesehen sowohl hinter Pluto als auch Charon. Kurz vor und kurz nach dieser Bedeckung breitete sich das Radiosignal, jeweils am örtlichen Morgen und Abend, durch die Atmosphäre Plutos aus. Der Weg durch die Atmosphäre wurde dabei entsprechend so verändert, dass dies zu einer kleinen Frequenzverschiebung der Trägerfrequenz führte. Daraus ließen sich dann Dichte-, Druck- und Temperaturprofile bis zu einer Höhe von 100 Kilometer ableiten. Entlang der ersten 25 Kilometer erwärmte sich die Atmosphäre bis auf 105 Kelvin (-168 °C), dann zeigte sie eine Inversion und darüber eine fast konstante Temperatur, nahezu unabhängig von der Morgen- und Abendseite und im Einklang mit terrestrischen Messungen anhand von Sternbedeckungen. Die REX-Temperaturprofile reichen allerdings bis zur Oberfläche Plutos. Unterhalb von 3,5 km Höhe existiert eine sehr kalte Grenzschicht von 39 Kelvin (-234 °C) konstanter Temperatur mit wechselnder Sublimation und Schneefall von Stickstoff während Plutos 6,4 Erdentage langer Eigenrotation. Auf Plutos Oberfläche lastet ein geringer Atmosphärendruck von 11,5 Mikrobar (Erde: eine Million Mikrobar; Mars: 7.000 Mikrobar). Die Bestimmung dieses niedrigen Druckwertes war eine Glanzleistung von REX.

Die Wärmeabstrahlung der Oberflächen von Pluto und Charon bei 4,2 cm wurden mit der Hochgewinnantenne der Raumsonde auf der Tag- und Nachtseite gemessen. Die Oberflächentemperatur der Nachtseite von Pluto (29 K oder -244 °C) ist nur wenig geringer als die der Tagseite (33 K), was auf eine geringe thermische Trägheit des Oberflächenmaterials hinweist. Die Tag- und Nachttemperaturen auf Charon sind mit 57 K bzw. 33 K wesentlich höher als die von Pluto, welches sich durch die kleinere Albedo und die bessere Absorption der Sonneneinstrahlung erklären lässt.

Pluto und Charon haben im Sonnensystem mit 8:1 das größte Massen- und mit 2:1 das größte Radiusverhältnis eines Planeten hinsichtlich seines Mondes. Deshalb konnte man zuvor astrometrisch nur die Gesamtmasse beider Körper und mit Annahmen über die Dichte die Einzelmassen abschätzen. Bei dem Vorbeiflug New Horizons ließen sich aber die Einzelmassen direkt bestimmen, denn die Flugbahn wurde durch die Anziehungskräfte der beiden Körper beeinflusst mit der Folge, dass die Raumsonde in Richtung der beiden Körper angezogen und dadurch ihre Geschwindigkeit verändert wurde. Dies führte zur Änderung der Trägerfrequenz des gesendeten Radiosignals infolge der Dopplerverschiebung, aus der dann auf die Massen der „störenden“ Körper im Rahmen der physikalischen Gegebenheiten vor Ort geschlossen werden konnte.

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