Le sonde Voyager

Noi uomini sogniamo di raggiungere le stelle dalla notte dei tempi. Sono moltissime le sonde inviate nel cosmo: Juno, Cassini e New Horizons sono solo alcuni dei capolavori di ingegneria che esplorano l'immensità del cosmo. In questo articolo: due sonde molto speciali, le sonde Voyager! Ma cosa hanno queste sonde di speciale? Seguiteci su Eagle sera per scoprirlo...

Voyager 1

Voyager 2

La sonda spaziale Voyager 2 è stata una delle prime esploratrici del sistema solare esterno, ed è ancora in attività. Fu lanciata il 20 agosto 1977 dalla NASA da Cape Canaveral, a bordo di un razzo Titan III, poco prima della sua sonda sorella, la Voyager 1, in un'orbita che l'avrebbe portata più tardi a visitare i pianeti. Le due sonde appartengono allo stesso programma Voyager e sono identiche. L'orbita in cui fu immessa la sonda la portò a sfiorare i due pianeti giganti, Giove e Saturno. Durante il viaggio, i tecnici si resero conto che potevano sfruttare un allineamento planetario piuttosto raro per far proseguire la sonda verso Urano e Nettuno. Dalla Voyager 2 vengono la maggior parte delle informazioni che abbiamo su questi due pianeti. Il 5 novembre 2018 la sonda Voyager 2 ha oltrepassato l'eliopausa diventando il secondo oggetto costruito dall'uomo ad uscire nello spazio interstellare, preceduto dalla Voyager 1.  La Voyager 2 ha visitato quattro pianeti:

• Giove (9 luglio 1979)
• Saturno (26 agosto 1981)
• Urano (24 gennaio 1986)
• Nettuno (25 agosto 1989)

Passando accanto ai primi due, la Voyager 2 integrò le immagini e gli studi fatti dalla Voyager 1. I passaggi vicino a Urano e Nettuno furono invece i primi (e a tutt'oggi gli unici) incontri ravvicinati con questi due pianeti. Da allora la sonda si sta allontanando dal Sole, a velocità inferiore rispetto alla Voyager 1. Dopo aver superato Nettuno, la sonda si è progressivamente allontanata dal Sole, dirigendosi verso i confini del sistema solare. L'11 dicembre 2007 è stato comunicato che la sonda ha attraversato il termination shock, una zona di spazio dopo la quale il campo magnetico del Sole non ha più influenza; anche la Voyager 1 ha attraversato la stessa zona circa 3 anni prima, però non si avevano a disposizione dati certi a causa del rilevatore di vento solare non funzionante. La Voyager 2 è stata quindi la prima sonda ad avere rilevato e misurato il termination shock. Le ultime informazioni indicano che la Voyager 2 avrebbe attraversato il termination shock nel settembre 2007. La Voyager 2 è ancora funzionante ed è il terzo oggetto costruito dall'uomo più distante dalla Terra, dopo la sonda Voyager 1 e Pioneer 10; la Voyager 2 non sorpasserà mai la prima, mentre dovrebbe sorpassare la seconda nel 2023, anno stimato non considerando il diverso progressivo leggero rallentamento delle due sonde. Il 13 agosto 2012 la Voyager 2 ha superato il record di longevità detenuto fino ad allora dalla sonda Pioneer 6 con 34 anni e 340 giorni di servizio. Il 5 novembre 2018 lo strumento ha rilevato un brusco calo della velocità del vento solare e da quella data non ha più rilevato alcun flusso nell'ambiente circostante. La conferma dell'uscita dall'eliosfera, compiuta il 5 novembre 2018, è stata fornita dallo strumento Plasma Science Experiment, che utilizza la corrente elettrica del plasma solare per rilevare la velocità, la densità, la temperatura, la pressione e il flusso del vento solare. Il 15 settembre 2019 la Voyager 2 si trovava nello spazio interstellare alla distanza di 121,367 UA (equivalenti a 16,822 ore luce o 18,214 miliardi di km) dal Sole. La sonda si sta allontanando dal Sole alla velocità di 15,374 km/s, pari a 3,241 UA all'anno; la sua velocità è in leggerissimo rallentamento. La Voyager 2 è alimentata da una batteria RTG che le permetterà di funzionare, seppure in modo limitato, fino al 2025. Secondo le previsioni, dopo aver raggiunto ed analizzato l'eliopausa pochi anni dopo la Voyager 1, che l'ha raggiunta nell'agosto 2012, dovrebbe in seguito raggiungere e analizzare anche lo spazio interstellare e l'ipotetico muro d'idrogeno (situato tra l'eliopausa e il bow shock), però sarà impossibile che la sonda sia ancora funzionante quando raggiungerà il bow shock situato a circa 230 UA dal Sole; nell'ipotesi che viaggi all'attuale velocità, si può stimare il raggiungimento di tale zona nel 2052, ma in realtà occorrerà più tempo a causa del progressivo leggero rallentamento della sonda. Tra circa 40.000 anni passerà a circa 1,7 anni luce dalla stella Ross 248, distante dal Sole 10,32 anni luce, situata nella costellazione di Andromeda (a quell'epoca Ross 248 sarà la stella più vicina al Sole, a circa 3 anni luce); inoltre, tra circa 296.000 anni passerà a circa 4,3 anni luce dalla stella Sirio, distante dal Sole 8,6 anni luce. La sonda Voyager 2 della Nasa risponde dallo spazio interstellare: i responsabili della missione le hanno inviato un segnale e la sonda ha confermato di aver ricevuto la "chiamata" ed ha eseguito i comandi senza problemi. Lanciata nel 1977, la sonda ha lasciato il Sistema Solare nel 2018 e ora si trova a più 18,8 miliardi di chilometri dalla Terra. E' stata contattata per testare i nuovi componenti recentemente installati sulla Deep Space Station 43, l'unica antenna al mondo in grado di inviarle comandi. L'antenna si trova a Canberra, in Australia, e fa parte del Deep Space Network (Dsn) della Nasa, una rete di antenne radio utilizzate per comunicare con veicoli spaziali che operano oltre la Luna. Da marzo scorso l'antenna non era operativa per un aggiornamento tecnico che ha riguardato una serie di apparecchiature, compresi due nuovi trasmettitori radio. Uno di questi, che viene utilizzato per comunicare con Voyager 2, non era stato sostituito da oltre 47 anni. Il Deep Space Network è costituito da tre antenne radio che si trovano a Canberra; Goldstone in California, e Madrid in Spagna. La posizione delle tre antenne garantisce che quasi tutti i veicoli spaziali con una linea di vista verso la Terra possano comunicare con almeno una delle strutture in qualsiasi momento. Voyager 2 è la rara eccezione. Per fare un sorvolo ravvicinato della luna di Nettuno Tritone nel 1989, la sonda ha sorvolato il polo nord del pianeta. Quella traiettoria l'ha deviata verso sud rispetto al piano dei pianeti, e da allora si è diretta in quella direzione. Ora è così a sud che non ha una linea di vista con le antenne radio nell'emisfero settentrionale. L'antenna di Canberra è l'unica parabola nell'emisfero australe che ha un trasmettitore abbastanza potente e che trasmette la giusta frequenza per inviare comandi alla sonda lontana. L'aggiornamento tecnico, secondo la Nasa, andrà a beneficio anche di altre missioni, incluso il rover Mars Perseverance, che dovrebbe atterrare sul pianeta rosso il 18 febbraio 2021, e la missione Artemis della Nasa che intende riportare l'uomo sulla Luna. 

Adesso che conosciamo la Voyager 1 e la Voyager 2 andiamo ad esplorare la storia di altre due sonde che hanno veramente fatto la storia...

Cassini-Huygens

Cassini-Huygens è stata una missione robotica interplanetaria congiunta NASA/ESA/ASI, lanciata il 15 ottobre 1997 con il compito di studiare il sistema di Saturno, comprese le sue lune e i suoi anelli. La sonda si componeva di due elementi: l'orbiter Cassini della NASA e il lander Huygens dell'ESA. La sonda ha concluso la sua missione con il suo "gran finale" il 15 settembre 2017 dopo che, come programmato, è stata fatta rientrare nell'atmosfera di Saturno e così disintegrata. La sonda è andata distrutta circa alle 10:31 UTC e l'ultimo segnale è stato ricevuto alle 11:55 UTC. Cassini è stata la prima sonda ad essere entrata nell'orbita di Saturno, il 1º luglio 2004 (ore 04:12 GMT), e solo la quarta ad averlo visitato (prima della Cassini erano già passate la Pioneer 11 e le Voyager 1 e 2). Il 25 dicembre 2004 la sonda Huygens si è separata dalla nave madre e si è diretta verso la principale luna di Saturno, Titano. Il 14 gennaio 2005 Huygens è scesa nell'atmosfera del satellite e durante la corsa ha raccolto dati sull'atmosfera, immagini della superficie, rumori dall'ambiente circostante. Ha toccato il suolo dopo una discesa di 2 h e 30 m ed ha poi continuato a trasmettere il suo segnale per altri 90 minuti. L'orbiter Cassini prende il nome dall'astronomo italiano Giovanni Domenico Cassini che, verso la fine del Seicento, ebbe un ruolo di primaria importanza nello studio di Saturno e dei suoi anelli. Il lander Huygens prende il nome dall'astronomo olandese del XVII secolo Christiaan Huygens che, utilizzando il proprio telescopio, scoprì Titano. 

Sviluppata dalla NASA in collaborazione con l'ESA (l'Agenzia spaziale europea) e con l'ASI (l'Agenzia spaziale italiana), la sonda Cassini è un prodigio della tecnologia spaziale del XX secolo, costituita da due componenti distinte: un orbiter e una sonda secondaria (Huygens). Alta 7 metri e larga 4, questa sonda da 6 tonnellate (orbiter, sonda Huygens e propellente compreso) era dotata di un'antenna parabolica larga poco meno di 4 metri, un'asta-magnetometro lunga 13 metri, 22.000 connessioni elettriche, 12 chilometri di cavi elettrici, ottantadue unità di riscaldamento a radioisotopi, sedici motori di assetto ("thrusters") a idrazina, e la maggior parte dei sistemi era "ridondata", ovvero affiancata da un analogo sistema di riserva, per minimizzare le probabilità di guasti, che non avrebbero avuto possibilità di essere riparati: la sonda si trovava nel 2007 a più di un miliardo di chilometri dalla Terra e i suoi segnali radio, pur viaggiando alla velocità della luce (299792,458 km/s) impiegarono circa 60 minuti per raggiungere la Terra. Cassini è stata l'ultima delle grandi missioni spaziali della NASA. Ne ha tutte le caratteristiche tipiche: grandi dimensioni, grande abbondanza di apparecchiature, lungo tempo di sviluppo e costo elevatissimo: circa 5 miliardi di dollari, comprensivi delle operazioni durante la vita della sonda. Dopo lo sviluppo della sonda Cassini, la NASA passò alla filosofia faster, better, cheaper (più veloce, migliore, più economico), con alterni risultati. Considerando la distanza di Saturno dal Sole i raggi solari non potevano essere sfruttati come fonte di energia. Per generare abbastanza energia i pannelli solari avrebbero dovuto essere molto grandi e di conseguenza pesanti. Per questo motivo l'orbiter è stato alimentato da tre generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG). Al momento del lancio i generatori atomici della sonda Cassini provocarono numerose polemiche da parte di ambientalisti che sottolineavano il rischio di contaminazione ambientale in caso di incidente. I generatori atomici della sonda Cassini erano unità RTG passive: non avevano reattori atomici, ma sfruttavano semplicemente il calore prodotto dal decadimento radioattivo di una piccola quantità di plutonio per produrre corrente elettrica. In termini semplici, è stato usato un piccolo contenitore di scorie nucleari per produrre energia. Nel peggiore dei casi un incidente avrebbe potuto comportare lo spargimento del plutonio nell'atmosfera. La NASA sottolineò come le unità RTG fossero rinchiuse in un contenitore progettato appositamente per sopravvivere anche all'esplosione totale del razzo e, se pure esso si fosse rotto, la quantità di plutonio sarebbe stata così piccola da fare aumentare a malapena il livello di radioattività rispetto al fondo di radioattività naturale già presente nella zona. La questione venne messa a tacere dal lancio, che risultò perfetto. È da notare che, in una missione precedente, un'unità RTG simile a quella della sonda Cassini uscì effettivamente intatta dall'esplosione del razzo che la conteneva. L'unità fu recuperata e le sue condizioni erano talmente buone da essere imbarcata in una missione successiva. Alla fine degli undici anni nominali della missione gli RTG saranno ancora in grado di produrre fra i 600 e i 700 Watt di potenza elettrica. L'orbiter viene alimentato da tre generatori atomici, ed è la parte principale della sonda, quella, cioè, che è stata messa in orbita attorno a Saturno e che ha compiuto il viaggio dalla Terra. Ha un peso di oltre 2 tonnellate ed è dotato di dodici differenti strumenti scientifici, due registratori digitali di dati, due computer primari e cinquanta computer secondari. La sua strumentazione di bordo comprende camere per immagini operanti sia in luce visibile, che nell'infrarosso e nell'ultravioletto. Le immagini ottenute da questi strumenti sono fondamentali per fornire un'esatta morfologia dei corpi osservati e saranno integrate anche dai dati raccolti dai radar di bordo per costruire una mappa dettagliata della superficie di Titano. La sonda possiede inoltre alcuni spettrografi utili per lo studio della temperatura e della composizione chimica della superficie di Saturno, della sua atmosfera, nonché dei suoi celebri anelli. Altri strumenti, infine, permettono di analizzare le proprietà e il comportamento del gas ionizzato all'interno della magnetosfera del pianeta e di risalire, quindi, alle sue caratteristiche e all'intensità del campo magnetico. Cassini comunica con la Terra principalmente tramite una grande antenna parabolica, costruita per conto dell'Agenzia Spaziale Italiana dall'azienda italiana Alenia Spazio; con un diametro di quattro metri e assistita da un complesso sistema elettronico di bordo, essa gestisce quattro bande di frequenze: X, Ka, S, Ku. Montata all'interno dell'orbiter è presente una sonda secondaria (le sue dimensioni non superano i 3 metri di diametro per 350 kg di peso), Huygens. Prende il nome dall'astronomo olandese del XVII secolo Christiaan Huygens, che utilizzando il proprio telescopio scoprì Titano. Si è staccata dalla sonda principale il 25 dicembre 2004, ed è atterrata su Titano il 14 gennaio 2005. Dopo la fase di avvicinamento è entrata nel campo gravitazionale di Titano e ha iniziato la discesa guidata attraverso la sua atmosfera rallentata da un paracadute (solo nella prima fase) e da razzi frenanti. In questa fase (della durata di circa due ore) una speciale telecamera ha effettuato una prima ripresa della superficie di Titano, fondamentale per poterne studiare la geologia. Parallelamente i sensori di bordo hanno provveduto ad una costante misurazione della temperatura delle nubi, mentre gli spettrografi hanno misurato la loro composizione chimica e le caratteristiche fisico-chimiche delle particelle di polvere in sospensione nell'atmosfera. Un ulteriore esperimento condotto durante la fase di discesa è stata la misurazione della velocità dei venti sulla superficie di Titano (attraverso tecniche Doppler). Al momento dell'atterraggio (in una zona di Titano denominata Xanadu - ma era stato previsto anche l'ammaraggio in un eventuale oceano di Titano) la sonda aveva energia appena sufficiente per effettuare una seconda volta tutte queste misure. Mezz'ora dopo si è spenta definitivamente. Nella più ottimistica delle previsioni il piccolo robot della capsula Huygens avrebbe dovuto inviare informazioni per quindici minuti al massimo, invece ha continuato a fare sentire la sua voce per altre due ore, fino a che Cassini non è tramontato dietro al pianeta. Tramite i radiotelescopi di tutto il mondo il suo segnale è stato raccolto per un'altra ora.

Il viaggio della Cassini è stato veramente storico. La NASA ha addirittura pubblicato dei PDF che spiegano come creare un modello della Sonda con dei semplici pezzi di carta. Vi proponiamo i PDF relativi (il primo per la versione semplice del modello, il secondo per la versione completa) qui sotto...

Siete riusciti a creare il vostro modello della sonda Cassini? Se volete inviarci una foto usate il modulo che segue...

New Horizons

New Horizons è una sonda spaziale sviluppata dalla NASA per l'esplorazione di Plutone e del suo satellite Caronte. Il lancio è avvenuto il 19 gennaio 2006 dalla base di Cape Canaveral e il sorvolo di Plutone ha avuto luogo il 14 luglio 2015, alle 13:49:57 ora italiana. L'obiettivo primario è studiare la geologia e la morfologia del pianeta nano Plutone e del suo satellite Caronte, creare una mappa della superficie dei due corpi celesti e analizzarne l'atmosfera. Altri obiettivi sono lo studio dell'atmosfera dei due corpi celesti al variare del tempo, l'analisi ad alta risoluzione di alcune zone di Plutone e Caronte, l'analisi della ionosfera e delle particelle cariche, la ricerca di atmosfera attorno a Caronte, lo studio dei quattro satelliti minori Stige, Notte, Cerbero e Idra, la ricerca di eventuali satelliti o anelli sconosciuti. La missione prevede inoltre che la sonda continui il viaggio nella fascia di Kuiper per inviare dati sulla fascia alla Terra. Il primo gennaio 2019, la sonda ha incrociato l'orbita dell'asteroide 486958 Arrokoth (anche noto come Ultima Thule) nella fascia di Kuiper, sorvolandolo ad una distanza minima di circa 3500 km. Con una velocità di 58 536 chilometri all'ora (16 260 m/s), raggiunta allo spegnimento del terzo stadio, è l'oggetto artificiale che ha raggiunto la velocità maggiore nel lasciare la Terra. La sonda contiene una parte delle ceneri di Clyde Tombaugh, l'astronomo che nel 1930 scoprì Plutone, un cd-rom con i nomi di 434 000 persone che si sono iscritte al progetto, due monete, due bandiere degli Stati Uniti e un francobollo del 1991 che recita: «Plutone: non ancora esplorato». Il lancio di New Horizons era pianificato per il 17 gennaio 2006 con una finestra di lancio di 07:06-09:06 (UTC) (2:06-4:06 EST), ma le avverse condizioni meteo spinsero il controllo missione a rinviare il lancio. La sonda è stata lanciata il 19 gennaio 2006 alle 14:00 EST dalla piattaforma 41 della Cape Canaveral Air Force Station, Florida, a sud del complesso di lancio Space Shuttle n. 39, con un terzo stadio Star 488 aggiunto per fornire la necessaria potenza per raggiungere la velocità richiesta. Erano state previste altre opportunità di lancio nel febbraio del 2006 e nel febbraio del 2007, ma solo i primi 23 giorni della finestra del 2006 avrebbero permesso il sorvolo di Giove. Qualsiasi lancio al di fuori di quel periodo avrebbe obbligato la sonda a seguire una traiettoria più lenta direttamente verso Plutone, ritardando l'incontro con il pianeta nano di 2-4 anni. La sonda ha quindi fatto rotta per Giove, che è stato raggiunto nel febbraio del 2007 e il cui campo gravitazionale è stato sfruttato per una manovra di fionda gravitazionale. Il sorvolo ravvicinato del pianeta è stato anche sfruttato per eseguire osservazioni scientifiche, in particolare un rapido monitoraggio dell'atmosfera gioviana e dell'attività vulcanica su Io. La campagna osservativa è durata quattro mesi e ha quindi preceduto e seguito l'incontro. Inoltre sono state coinvolte nell'osservazione a distanza altre sonde in missione nello spazio profondo, tra cui la sonda europea Rosetta. Il viaggio della sonda verso Plutone prevede una traiettoria che esce dal piano dell'eclittica formando con questo un angolo di 2,5 gradi. Era stata anche avanzata l'ipotesi di sorvolare Centauro durante la fase di viaggio ed era stato indicato il 2010 come periodo probabile per l'incontro che a ogni modo non ha avuto luogo. Nella fase di avvicinamento a Plutone la sonda è transitata in prossimità del punto lagrangiano L5 dell'orbita di Nettuno che ospita degli asteroidi troiani. L'attraversamento del sistema di Plutone è avvenuto nel luglio 2015. Le osservazioni sono iniziate sei mesi prima del sorvolo di Plutone e per 150 giorni hanno permesso di ottenere una risoluzione superiore a quella del telescopio Spaziale Hubble. Le osservazioni sono continuate per due settimane dopo che la sonda ha oltrepassato il pianeta nano. Le analisi includeranno la mappatura di Plutone e di Caronte a lungo raggio a 40 km di risoluzione, che avverrà 3,2 giorni dopo il sorvolo degli oggetti. Durante le osservazioni, sfruttando la rotazione dei due corpi, si potrà ottenere una mappa priva di zone d'ombra. È previsto che l'avvicinamento a Plutone avvenga a 11 km/s fino ad una distanza di 9600 km, mentre quello di Caronte avverrà a 27000 km; questi parametri possono tuttavia subire modifiche durante la missione. Durante il sorvolo le strumentazioni riprenderanno le immagini con una risoluzione massima di 25 m/pixel, a quattro colori, una mappa globale con risoluzione di 1,6 km, nella banda dell'infrarosso una mappa da 7 km/pixel globalmente o localmente di 0,6 km/pixel, per poter definire l'atmosfera dei pianeti. Dopo il passaggio nel sistema di Plutone la New Horizons ha continuato a dirigersi verso la fascia di Kuiper con lo scopo di incontrare uno o più oggetti dal diametro di 50/100 km su cui svolgerà misure simili a quelle svolte su Plutone. Con limitate possibilità di manovra, la sonda il 1º gennaio 2019 ha raggiunto il primo di questi oggetti intersecando l'orbita dell'asteroide 486958 Arrokoth, che si è rivelato essere un asteroide binario. Dopo l'incontro con 486958 Arrokoth viene confermato che la sonda avrà sufficiente potenza perché gli strumenti siano operativi fino al 2030. Negli anni 2020 si cercheranno altri oggetti nel bordo esterno della fascia di Kuiper abbastanza vicino alla traiettoria della sonda. Infine la New Horizons scatterà una foto della Terra dalla fascia di Kuiper, ma dopo aver completato tutti i fly-by previsti, questo perché puntata verso la Terra, la fotocamera rischia di danneggiarsi a causa della luce solare. Il 28 e il 30 gennaio 2006 i controllori di missione guidarono la sonda attraverso la prima correzione di rotta (Trajectory Correction Maneuver - TCM), suddivisa in due fasi. La prima correzione tuttavia fu sufficientemente precisa da evitare la seconda. Durante la settimana del 20 febbraio, i controllori iniziarono alcuni test dei tre strumenti scientifici di bordo: lo spettrometro a ultravioletti Alice, il sensore PEPSSI e la camera LORRI. Non vennero riprese immagini o misurazioni, ma furono controllati solo i sistemi elettronici ed elettromeccanici per lo spettrometro Alice, che risultarono correttamente funzionanti. Il 9 marzo, alle 17:00 UTC venne effettuata la terza correzione di rotta prevista con una accensione dei propulsori durata 76 s. Il 7 aprile 2006 alle 10:00 UTC la sonda passò l'orbita di Marte a una velocità di circa 21 km/s alla distanza di 243 milioni di km dal Sole. Venne compiuto un sorvolo a lunga distanza dell'asteroide 132524 APL, precedentemente noto con il suo nome provvisorio 2002 JF56. Il massimo avvicinamento, pari a 101867 km, è stato raggiunto alle 04:05 UTC del 13 giugno 2006. La stima migliore del diametro di questo corpo celeste è di circa 2,3 km e lo spettro ottenuto mostra che è un asteroide di tipo S. La sonda tracciò con successo l'asteroide tra il 10 ed il 12 giugno 2006 in modo da permettere al team della missione di compiere un test sulla capacità della sonda di seguire oggetti che sono in rapido movimento. Le immagini furono ottenute attraverso il telescopio Ralph. La camera LORRI riprese le prime immagini di Giove il 4 settembre 2006 e nel dicembre 2006 la sonda iniziò a studiare ulteriormente il sistema gioviano. La New Horizons effettuò la manovra di fionda gravitazionale sfruttando il campo gravitazionale di Giove con un avvicinamento massimo il 28 febbraio 2007 alle 5:43:40 UTC. È stata la prima sonda lanciata direttamente verso Giove dopo la sonda Ulysses nel 1990. L'incontro ravvicinato ha incrementato la velocità di circa 4 km/s, inserendo la sonda in una traiettoria più veloce verso Plutone, con inclinazione di 2,5 gradi rispetto all'eclittica. Mentre era nei pressi del gigante gassoso, gli strumenti hanno migliorato le misurazioni delle orbite dei satelliti interni, in particolare quella di Amaltea. Le camere hanno monitorato i vulcani di Io e hanno compiuto osservazioni degli altri tre satelliti galileiani e dei satelliti Imalia ed Elara. Sono state anche effettuate analisi della piccola macchia rossa, della magnetosfera e il sistema di anelli. Le prime immagini di Plutone sono state riprese tra il 21 e il 24 settembre 2006 durante il test del Long Range Reconnaissance Imager e pubblicate il 28 novembre. Le immagini riprendono il pianeta nano a una distanza di 4,2 miliardi di km e hanno confermato le capacità dei sistemi di bordo di seguire oggetti distanti, capacità indispensabili per effettuare le manovre verso il pianeta e gli altri oggetti della fascia di Kuiper. La fase di avvicinamento a Plutone ebbe inizio 6 mesi prima del punto di massimo avvicinamento al pianeta e durante questa fase furono effettuate delle osservazioni a lungo raggio. I dati ricavati dalle osservazioni di LORRI durante sette settimane prima del luglio 2015 non hanno evidenziato nubi di polveri, piccole lune o anelli che potessero danneggiare la sonda, per cui il 1º luglio 2015 la NASA decide di proseguire lungo la traiettoria ottimale prestabilita. Dopo 9 anni, 5 mesi e 25 giorni di viaggio nello spazio, il 14 luglio 2015 alle 11:49:57 UTC (13:49:57 ora italiana), New Horizons ha raggiunto il punto di massimo avvicinamento a Plutone, a 12500 km dalla superficie del pianeta e ad una velocità relativa di 11 km/s; la sonda inoltre ha effettuato il sorvolo di Caronte ad una distanza di 27000 km dalla superficie. Durante il fly-by, la sonda è riuscita ad ottenere immagini ad alta risoluzione della superficie di Plutone e Caronte, permettendo di vederli in dettaglio per la prima volta dalla loro scoperta; vennero inoltre effettuati vari esperimenti scientifici. A causa, però, della limitata disponibilità di energia utilizzabile istantaneamente, gli strumenti furono fatti funzionare a turno durante la manovra. La distanza di 33 UA dalla Terra (circa 4,5 ore/luce) è stata tale da creare un ritardo nelle comunicazioni (tra andata e ritorno) di 9 ore. La trasmissione dei risultati scientifici avvenne in un periodo di 9 mesi dopo il sorvolo. Il 22 ottobre 2015 venne effettuata una manovra di correzione di 16 minuti che mise New Horizons sulla rotta verso la Fascia di Kuiper, per la precisione verso l'oggetto denominato 486958 Arrokoth. Altre manovre di correzione sono state effettuate il 25, il 28 ottobre e il 4 novembre dello stesso anno, ponendo la sonda lungo una rotta che ne ha permesso l'incontro con 486958 Arrokoth per i primissimi giorni del 2019. Durante il viaggio sono state effettuate delle misurazioni con gli strumenti di bordo simili a quelle avvenute durante il viaggio verso Plutone. Il 1º gennaio 2019, alle 06:33 ora italiana, la sonda ha sorvolato 486958 Arrokoth (nel frattempo soprannominato anche Ultima Thule), il corpo cosmico più lontano e mai esplorato dall'umanità, distante oltre 6,4 miliardi di chilometri dalla Terra. La sonda ha la forma di un triangolo con un RTG cilindrico che sporge da un lato del triangolo e un'antenna parabolica da 2,5 metri di diametro posizionata sul triangolo. La sonda comunicherà utilizzando la banda X e da Plutone potrà trasmettere alla velocità di 768 bit/s mentre da Giove trasmetterà a 38 kBit/s. I segnali verranno ricevuti dal Deep Space Network. L'RTG fornirà i 190 Watt previsti almeno fino al 2015. Come propellente viene utilizzata l'idrazina, che fornisce 290 m/s di delta-v dopo il lancio. La sonda è dotata di stabilizzatori lungo i tre assi e lungo le tre possibili rotazioni, coadiuvati da due fotocamere astronomiche, prodotte da Galileo Avionica, per il controllo di precisione dell'assetto; le fotocamere sono montate su un lato della sonda. Il peso totale della sonda, incluso il propellente, è di 470 kg. Viceversa, nel caso in cui non si fosse voluto sfruttare il sorvolo di Giove, la massa massima consentita per la sonda sarebbe stata di 445 kg. Tuttavia ciò avrebbe comportato una minor quantità di propellente disponibile per le operazioni successive nella Fascia di Kuiper. La sonda ha sette strumenti. Il Long Range Reconnaissance Imager (LORRI), una fotocamera digitale ad alta risoluzione nel campo del visibile. Il Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI) consistente in due strumenti, Ralph telescopio con diverse lunghezze d'onda analizzabili, un CCD per le lunghezze d'onda visibili (MVIC), uno spettroscopio per l'infrarosso (LEISA) e uno spettroscopio per l'ultravioletto (Alice). Le particelle ad alta energia sono analizzate dallo strumento (PAM) consistente in SWAP un analizzatore toroidale elettrostatico e PEPSSI un misuratore della vita di volo degli ioni e sensore di elettroni. Il Radio Science Experiment (REX) utilizza un oscillatore molto stabile per effettuare analisi radio sul pianeta nano. Lo student-built dust counter (SDC) è un misuratore di polvere solare installato a bordo della sonda. Il costo totale previsto della missione è di 650 milioni di dollari. Il preventivo include anche la gestione a terra della sonda. La sonda rimpiazza la missione cancellata Pluto Kuiper Express. Per risparmiare propellente in vista di eventuali incontri con oggetti della fascia di Kuiper in seguito al sorvolo di Plutone non sono stati pianificati incontri con oggetti della fascia degli asteroidi. Dopo il lancio il team scientifico ha analizzato la traiettoria della sonda per determinare se per coincidenza potesse avvicinarsi a sufficienza a qualche asteroide per effettuare osservazioni. Nel maggio 2006 venne scoperto che la sonda sarebbe passata vicino al piccolo asteroide 132524 APL il 13 giugno 2006. Il punto di avvicinamento minimo è avvenuto alle 4:05 UTC ad una distanza di 101 867 km e l'oggetto venne ripreso dallo strumento Ralph che permise di testare le capacità dello strumento e misurare la composizione dell'asteroide. Non era possibile utilizzare LORRI a causa della vicinanza al Sole. Il sorvolo avvenne a circa 32 raggi gioviani (3 milioni di km) e fu al centro di una campagna osservativa intensiva durata 4 mesi. Giove è un soggetto interessante e sempre in cambiamento, osservato ad intermittenza dalla fine della missione della Sonda Galileo. New Horizons possiede strumentazione con tecnologia più avanzata rispetto alla sonda Galileo, soprattutto nelle camere. L'incontro con Giove ha funzionato anche come anteprima di quello con Plutone. A causa della distanza inferiore dalla Terra, le telecomunicazioni hanno permesso di trasmettere molti più dati di quelli che sono stati trasmessi da Plutone. Le riprese di Giove sono iniziate il 4 settembre 2006. Gli obiettivi primari dell'incontro includevano la dinamica delle nubi del pianeta, che si erano notevolmente ridotte dalla conclusione della missione della sonda Galileo, e lo studio della magnetosfera gioviana. Per una fortunata coincidenza la traiettoria di allontanamento dal pianeta seguita dalla New Horizons ha permesso di studiare la coda della magnetosfera gioviana per mesi. La sonda ha anche esaminato il lato notturno del pianeta per rilevare aurore e fulmini. New Horizons inoltre ha permesso le prime osservazioni ravvicinate della "Piccola Macchia Rossa" (ufficialmente chiamata Ovale BA), una tempesta che viene seguita da anni, che precedentemente si presentava di colore chiaro e che ha cambiato colore dopo il sorvolo della sonda Cassini-Huygens del 2000. I satelliti galileiani erano in cattive posizioni, poiché il punto di destinazione della manovra di fionda gravitazionale si trovava a milioni di km da qualunque satellite maggiore, tuttavia gli strumenti della sonda sono stati progettati per studiare oggetti piccoli, quindi si sono rivelati utili scientificamente. Su Io LORRI ha ricercato vulcani e pennacchi, LEISA ha misurato le temperature notturne e gli hotspot mentre Alice ha studiato il toro di particelle magnetiche alimentato dal satellite. Sono state studiate le composizioni chimiche di Europa e le varie atmosfere e aurore. È stato possibile raffinare i dati sulle orbite di satelliti minori come Amaltea. La traiettoria di New Horizons è passata nelle vicinanze del punto di Lagrange di Nettuno "L5", dove sono stati recentemente scoperti diversi asteroidi troiani. Alla fine del 2013, la New Horizons è passata a 1,2 UA da 2011 HM102, che era stato identificato dal gruppo della New Horizons durante la ricerca di oggetti più distanti da intercettare dopo l'incontro con Plutone del 2015. In quel momento l'asteroide sarebbe stato abbastanza luminoso da essere rilevabile dallo strumento LORRI della sonda, tuttavia il team della New Horizons alla fine decise che non si sarebbero occupati di 2011 HM102 perché i preparativi per l'approccio di Plutone avevano la precedenza. Il sorvolo di Plutone alla distanza minima di 12 472 km dalla superficie alla velocità di 49000 km/h è avvenuto con successo alle 11:49 UTC del 14 luglio 2015, per poi passare vicino a Caronte a 12:13 UTC, a una distanza minima di 26 926 km; la telemetria di conferma è arrivata sulla terra alle 02:52 del 15 luglio 2015, dopo circa 22 ore di silenzio radio programmato iniziato alcune ore prima del passaggio ravvicinato, in quanto il puntamento degli strumenti verso il sistema di Plutone impediva il puntamento dell'antenna verso la Terra. L'ultima immagine inviata a Terra prima della chiusura dei contatti radio è stata scattata a una distanza di 768 000 km il 13 luglio 2015, e ha una risoluzione di circa 3,5 km/pixel, a fronte di una risoluzione massima di 0,076 km/pixel per le foto scattate al massimo avvicinamento. Le telemetrie indicano che tutti i sistemi della sonda erano in perfetto stato dopo il sorvolo; era stata calcolata una probabilità di 1:10.000 che durante il sorvolo a bassa quota New Horizons potesse impattare con dei detriti che, danneggiandolo o distruggendolo, avrebbero impedito di ricevere a Terra i dati e le foto del sorvolo. Le osservazioni di Plutone, effettuate con LORRI e Ralph, sono iniziate 6 ore prima del punto di avvicinamento minimo ed erano mirate al rilevamento di eventuali anelli o ulteriori satelliti fino ad un diametro di 2 km, così da coordinare le manovre e la pianificazione delle osservazioni. Le riprese a lungo raggio includevano la mappatura di Plutone e Caronte alla risoluzione di 40 km per 3,2 giorni. Le osservazioni sono state ripetute per cercare cambiamenti dovuti alle nevi o al criovulcanismo. Da un'ora e mezza a due ore prima del sorvolo, Ralph effettuò una seconda mappatura della composizione della superficie alla risoluzione di 5-7 km/pixel. Altre mappe pancromatiche e a colori di Plutone e Caronte ad alta risoluzione e nell'infrarosso furono realizzate appena prima del sorvolo del pianeta. Durante il sorvolo ci si aspettava che LORRI fosse in grado di ottenere immagini selezionate con risoluzione di 60 m/px e il MVIC ha ottenuto mappe del lato illuminato a 4 colori con una risoluzione di 1,3 km. Entrambi gli strumenti hanno sovrapposto le aree riprese per formare immagini stereoscopiche. Nel frattempo Alice ha analizzato l'atmosfera, sia per le emissioni di molecole atmosferiche sia grazie all'occultamento delle stelle sullo sfondo. Durante e in seguito all'avvicinamento minimo, gli strumenti SWAP e PEPSSI hanno campionato l'alta atmosfera e i suoi effetti sul vento solare mentre VBSDC ha cercato polveri, ha ricavato il tasso di collisione con meteorite ed escluso la presenza di anelli. REX si è occupato delle analisi radio attive e passive: le stazioni a Terra hanno trasmesso un potente segnale radio mentre la sonda passava dietro al disco di Plutone. I sistemi di telecomunicazione della sonda hanno rilevato la perdita e la successiva riacquisizione del segnale quando essa è riemersa dall'altro lato del pianeta. Tramite la misurazione di questi tempi si è ricavata una misurazione più precisa del diametro del pianeta, della densità atmosferica e la sua composizione. Questo esperimento è stato il primo ad utilizzare un segnale proveniente dalla Terra, mentre sino a quel momento il segnale partiva dalla sonda verso la Terra, procedura impossibile in questo caso a causa della distanza. Inoltre è stata misurata la massa del pianeta e la sua distribuzione per mezzo dell'effetto Doppler del segnale radio provocato dalle modifiche all'accelerazione della sonda generate dal campo gravitazionale del pianeta. Il lato notturno è stato visibile tramite la luce solare riflessa da Caronte. Il 15 luglio sono ripresi i contatti con la sonda, dopo un silenzio radio durato 22 ore; la telemetria ha rivelato che il sorvolo è riuscito. Inizialmente sono state trasmesse delle immagini compresse, ossia di qualità bassa, che saranno selezionate dal team scientifico per la pubblicazione. La trasmissione delle immagini non compresse ha richiesto diversi mesi, in base al traffico dati presente sul Deep Space Network. Il compito immediato del veicolo spaziale era iniziare a restituire i 6,25 gigabyte di informazioni raccolte L'attenuazione di spazio libero alla distanza di 4,5 ore luce è di circa 303 dB a 7 GHz. Usando l'antenna direzionale e trasmettendo a piena potenza, la potenza irradiata efficace (EIRP) è +83 dBm, e a questa distanza il segnale che raggiunge la Terra è −220 dBm. Il livello del segnale ricevuto (RSL) che utilizza un'antenna Deep Space Network non array con 72 dBi di guadagno è di -148 dBm. A causa della RSL estremamente bassa, poteva solo trasmettere dati da 1 a 2 kilobit al secondo. Entro il 30 marzo 2016, la New Horizons aveva scaricato la metà dei dati. Il trasferimento fu completato il 25 ottobre 2016 alle 21:48 UTC, quando l'ultimo cluster di dati fu ricevuto dal Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University. A una distanza di 43 UA (6,43 miliardi di km) dal Sole e a 0,4 UA 486958 Arrokoth a novembre 2018, la New Horizons si stava dirigendo nella direzione del costellazione del Sagittario a 14,10 km/s rispetto al Sole. La luminosità del Sole dall'astronave è di magnitudine −18,5. 

Obiettivi primari

• Esaminare la geologia globale e la morfologia di Plutone e Caronte
• Mappare le composizioni chimiche delle superfici di Plutone e Caronte
• Descrivere l'atmosfera non ionizzata di Plutone

Nel caso del fallimento di uno di questi, la missione si sarebbe dichiarata parzialmente fallita.

Obiettivi secondari

• Descrivere la variabilità dell'atmosfera e della superficie di Plutone
• Riprendere aree selezionate in stereoscopia
• Mappare il terminatore in alta risoluzione
• Mappare le composizioni chimiche di aree selezionate in alta risoluzione
• Descrivere la ionosfera di Plutone e la sua interazione con il vento solare
• Ricercare alcuni composti neutri come idrogeno, acido cianidrico, idrocarburi e altri
• Ricercare un'eventuale atmosfera di Caronte
• Mappare le temperature superficiali

Obiettivi terziari

• Esaminare le particelle energetiche attorno a Plutone e Caronte;
• Raffinare le misurazioni dei parametri e delle orbite;
• Cercare ulteriori satelliti naturali e anelli.

La missione è ideata per effettuare il sorvolo di uno o più oggetti della fascia di Kuiper dopo aver passato Plutone. Gli oggetti dovranno essere trovati all'interno di una regione conica che si estende da Plutone e si trova all'interno di 55 UA con una ampiezza inferiore ad un grado perché la traiettoria della sonda è condizionata dal sorvolo di Plutone e dallo scarso propellente restante. A distanze maggiori la connessione dati diventerà troppo debole e la potenza dei generatori di energia sarà decaduta troppo per effettuare misure e analisi. La popolazione di questi oggetti è piuttosto grande, quindi si pensa di trovare diversi oggetti nonostante le limitazioni. Essi saranno dapprima individuati dai grandi telescopi a Terra prima del sorvolo di Plutone in modo da determinare le correzioni di traiettoria necessarie. Le osservazioni degli oggetti della fascia di Kuiper saranno simili a quelle condotte su Plutone, ma con minore disponibilità di potenza, luce e banda. Il 15 ottobre 2014 furono annunciati tre potenziali oggetti analizzabili dalla sonda, inizialmente denominati PT1, PT2 e PT3. Sono tutti e tre oggetti ghiacciati molto diversi da Plutone, il cui diametro stimato varia da 30 a 55 km e la distanza dal Sole da 43 a 44 UA. Le possibilità iniziali di raggiungerli senza dover ricorrere al carburante per correggere la rotta sono rispettivamente 100%, 7% e 97%. Il sorvolo di PT1 sarebbe preferibile per la posizione, mentre PT3 per la sua grandezza e luminosità, maggiori di quelle di PT1. Nel marzo del 2015 furono pubblicati degli aggiornamenti riguardo ai parametri orbitali di questi oggetti e sono state assegnate le denominazioni provvisorie: (486958) 2014 MU69 (denominazione ufficiale: 486958 Arrokoth), 2014 OS393, 2014 PN70 rispettivamente. Nell'agosto del 2015 486958 Arrokoth è stato selezionato come obiettivo della missione, la cui estensione è stata soggetta ad approvazione definitiva da parte della NASA nel corso del 2016. Quattro manovre, effettuate nell'ottobre e novembre 2015, sono state necessarie per mettere la sonda in traiettoria verso 486958 Arrokoth.[49] Sono le manovre più lontane dalla Terra effettuate su un dispositivo costruito dall'uomo. La trasmissione dei dati è avvenuta in modo simile a quanto fatto per il sistema di Plutone iniziando già un mese prima del sorvolo e mettendo in opera l'insieme degli strumenti di bordo. La durata della ritrasmissione dei dati raccolti dovrebbe durare venti mesi, alla velocità di 500Kb/s. Il sorvolo di 486958 Arrokoth è avvenuto il 1º gennaio 2019, alle 06:33 (ora italiana). Tra gli obiettivi scientifici del sorvolo c'erano la caratterizzazione della morfologia e della geologia di Arrokoth, e la mappatura della composizione della superficie (con la ricerca di ammoniaca, monossido di carbonio, metano, e ghiaccio). Le ricerche sono state svolte per i corpi orbitanti, una chioma di cometa, anelli, e l'ambiente circostante. Gli altri obiettivi comprendono:

• Mappatura della geologia della superficie per imparare come si è formata ed evoluta
• Misurazione della temperatura della superficie
• Mappatura 3D della topografia e della composizione della superficie per capire in che modo è simile e diversa rispetto a comete come 67P/Churyumov-Gerasimenko e pianeti nani come Plutone
• Ricerca di qualsiasi segno di attività, come una chioma con aspetto di nuvola
• Ricerca e studio di satelliti o anelli
• Misurazione della massa

Terminata la sua missione, New Horizons seguirà le sorti delle sonde Voyager 1 e 2, esplorando l'eliosfera esterna, l'elioguaina e l'eliopausa, che potrebbe raggiungere nel 2047. Comunque la New Horizons non supererà mai le sonde Voyager, anche se è partita più velocemente dalla Terra, per via della fionda gravitazionale data dai sorvoli ravvicinati di Saturno e Giove effettuati da esse.