Misja Juno - powrót na Jowisza - technologie i ciekawostki

Czwartego lipca 2016 roku (w Polsce będzie to już ranek 5 lipca), ach jakże pięknie NASA zgrywa zawsze te daty z pewnym wydarzeniem, podróżująca od 5 lat przez Układ Słoneczny sonda Juno wejdzie na orbitę Jowisza i rozpocznie się kolejny etap badań tej największej z planet. Mniej więcej 20 lat temu, w grudniu 1995 roku na orbicie Jowisza zagościła sonda Galileo, pierwsza z wielkich misji poświęconych badaniom planet zewnętrznych (poza orbitą Marsa).

Choć cele badań są podobne, to Juno i Galileo dzieli szmat czasu, okres, w którym technologie i ich skala znacząco się zmieniły. W 1989 roku gdy Galileo ruszał w podróż w naszych domach królowały jeszcze 8-bitowe komputery, z kolei w 2011 gdy wystrzelono w kosmos Juno, staliśmy w obliczu inwazji technologii smartfonowych na wielką skalę.

We wtorek rankiem około 5:18 rozpocznie się hamowanie Juno, a po jego zakończeniu o 5:53 czasu Juno stanie się sztucznym satelitą Jowisza. To bardzo ważna dla nauki misja, a także odpowiedzi na pytanie, jak się tu znaleźliśmy.

Na pokładzie sondy znalazły się aluminiowe figurki LEGO - przedstawiają Galileusza, rzymskiego boga Jowisza i jego żonę Juno

Pierwsza godzina po wejściu Juno na orbitę to ustabilizowanie prędkości obrotowej (sonda się obraca wokół własnej osi) i przesłanie danych telemetrycznych (pozycja). Dopiero po 50 godzinach wyłączone od kilku dni instrumenty będą ponownie uruchamiane. Główna faza obserwacji, rozpocznie się dopiero w drugiej połowie października, a pierwsze superwysokiej rozdzielczości obrazy zobaczymy prawdopodobnie 27 sierpnia.

Zdjęcie Jowisza i księżyców z odległości 11 milionów kilometrów (wykonane 21 czerwca 2016) to tylko znak, że wszystko idzie dobrze.

Nowych zdjęć Jowisza zatem dziś, ani jutro, nie będzie, ale skoro dotarliście do tego miejsca, to znak, że interesuje was astronomia i eksploracja Układu Słonecznego. Zapraszam do lektury tego artykułu i chwili refleksji na tym co dzieje się teraz 870 milionów kilometrów od nas.

Tym razem na Jowisza bez problemów

Sonda Galileo była ofiarą problemów jakie trapiły NASA w drugiej połowie lat 80. XX wieku. Po katastrofie promu Challenger, tempo programów badawczych znacznie zwolniło. Sonda Galileo pierwotnie miała trafić na orbitę już w 1986 roku, również teleskop Hubble miał wcześniej rozpocząć pracę. Te kilka lat zwłoki plus błędy logistyczne i zwykła ludzka ignorancja sprawiły, że misja Galileo stała się wyzwaniem dla technologii komunikacyjnych.

Galileo na orbicie Jowisza z częściowo rozłożoną anteną główną - wizja

Główna antena tejże sondy nie otworzyła się w pełni, co w efekcie zmusiło naukowców do poszukiwania wydajniejszych algorytmów kompresji danych, by mimo znacznie mniejszej mocy nadawczej Galileo mógł przesłać je na Ziemię. Z tej perspektywy, ale nie tylko, misja Galileo była ogromnym sukcesem. Pokazano jak dużo można nadrobić odpowiednim oprogramowaniem i poprawiając technologie tutaj na Ziemi gdzie upływ czasu działa tylko na korzyść.

Juno na orbicie Jowisza - wizja

Problemy sprawił także system zapisu danych na taśmie. Doświadczenia z tym związane przekonały projektantów kolejnych misji, że jedynie pamięć stała zapewni wystarczającą bezawaryjność w przypadku wieloletniej misji w kosmosie.

20 lat później sonda Juno nie ma już takich problemów, choć była chwila, gdy zrobiło się gorąco. W 2013 roku po przelocie w pobliżu Ziemi, pojazd wszedł na pewien czas w tryb bezpieczny, co sugerowało problemy - na szczęście bardzo drobne i nieistotne dla realizacji misji.

Jowisz - setki, a nawet tysiące lat obserwacji

Wydawało by się, że o Jowiszu wiemy już prawie wszystko. Pierwsze nowożytne naukowe udokumentowane obserwacje, to te przeprowadzone przez Galileusza w 1610 roku. Dwadzieścia lat później Niccoli Zucchi dostrzegł pasy na powierzchni (tak określamy górną warstwę chmur) Jowisza. W drugiej połowie XVII wieku dostrzeżono struktury przypominające plamy. Cassini w 1665 roku dostrzegł prawdopodobnie Wielką Czerwoną Plamę. Tym mianem określa się ogromny sztorm panujący w atmosferze Jowisza, w którym zmieściłyby się dwie-trzy Ziemie.

Rysunki Cassiniego

Jowisz i Wielka Czerwona Plama (już nie taka czerwona) widziana przez Hubble w 2014 roku

Istnienie Wielkiej Czerwonej Plamy, i odkrycie Cassiniego, ostatecznie potwiedzono w 1879 roku. Początkowo obserwacje koncentrowały się na własnościach dynamicznych układu jowiszowego. Dopiero pod koniec XVIII wieku zwrócono większą uwagę na struktury na powierzchni. Kolejne stulecie upłynęło pod znakiem monitorowania zmian w układzie chmur na Jowiszu.

Jowisz obserwowany był od starożytności - Babilończycy potrafili precyzyjnie określić jego ruch

Od drugiej połowy XIX stulecia, astronomowie na poważniej zaczęli zastanawiać się nad powstaniem Jowisza, jego strukturą i zewnętrzną powłoką, w której gazową naturę początkowo nikt nie wierzył. Coraz lepsza rozdzielczość teleskopów pozwalała dostrzec bardziej subtelne zmiany, a rozwój fotografii pomógł w uwiecznianiu powierzchni Jowisza w inny sposób niż tylko rysunki. Te ostatnie zresztą często nosiły znamiona artystycznych talentów i rozbuchanej wyobraźni obserwatorów.

W drugiej połowie XX wieku, a szczególnie od lat 80., gdy sensory CCD stały się powszechnie dostępne dla naukowców, poziom obserwacji znacznie wzrósł. Można je było prowadzić sprawniej, częściej. A po wprowadzeniu optyki aktywnej, a potem adaptatywnej, w naziemnych teleskopach z precyzją porównywalną do obserwacji z orbity, które z kolei prowadzono od lat 90. XX wieku. 

Jednak już wcześniej w 1973 roku po raz pierwszy ujrzeliśmy Jowisza z bliska w obiektywie kamery sondy Pioneer 10. Potem, każda ważniejsza misja, której celem były zewnętrzne części Układu Slonecznego była tak planowana by Jowisz został odwiedzony - uczyniło to dotąd 8 pojazdów, Juno będzie dziewiątym.

Pierwsze zdjęcia Jowisza z Pioneera 10

To zresztą nie zbieg okoliczności, gdyż ogromna masa Jowisza (wraz ze Słońcem to 99,9% masy w Układzie Słonecznym), służy jako doskonała grawitacyjna proca do przyśpieszania sond lecących dalej. Tak było z Pionierami, Voyagerami, sondą Cassini-Huygens oraz New Horizons, który przeleciał przy Jowiszu w 2007 roku.

Zdjęcie Jowisza wykonane przez sondę Cassini-Huygens pod koniec 2000 roku

Jowisz jest też stałym celem obserwacji teleskopu Hubble oraz naziemnych teleskopów. Począwszy od VLT, który niedawno pokazał nam wyjątkowo aktywnego Jowisza w podczerwieni, a skończywszy na amatorskich teleskopach. Dzięki temu mamy stałą kontrolę nad globalnymi zjawiskami, które mogą mieć miejsce na i w okolicy Jowisza.

Amatorskie obserwacje to bardzo pojemne określenie - bo mogą wyglądać nawet tak

I tak, stałe obserwacje z Ziemi i orbity pomogły monitorować zmiany w powłoce chmur, zauważyć powstanie drugiej Czerwonej Plamy w 2007 roku, a niespełna rok temu również trzeciej w sąsiedztwie dwóch pozostałych.

Jowisz - jeszcze nie zdradził wszystkich tajemnic

Mimo ponad 400 lat obserwacji i już ogromnej wiedzy na temat Jowisza, nadal trzeba pewne rzeczy uściślać, a inne na nowo weryfikować w świetle nowych teorii ewolucji układów planetarnych. Z perspektywy laika może to wyglądać jak powtarzanie już wykonanych obserwacji, ale dla naukowców to nowy zestaw danych i kompletnie nowe możliwości. Poza tym Jowisz to twór cały czas aktywny, którego nie da się opisać raz na zawsze.

Wyjątkowo aktywny Jowisz widziany przez teleskop VLT w podczerwieni (po prawej porównawcze zdjęcie wykonane w świetle widzialnym)

A co już wiemy o Jowiszu? Poniżej ciekawostki, a także informacje, które mogliście zapamiętać z lekcji w szkole:

• Jowisz to planeta typu gazowy gigant, której atmosfera składa się w 89,8% z wodoru molekularnego (H2) i w 10,2% z helu - pozostałe składniki występują w minimalnej ilości, ale wpływają w znaczący sposób na wygląd Jowisza
• warstwa chmur - czyli to co nas tak fascynuje na zdjęciach - ma tylko 50 km grubości,  

Wielka Czerwona Plama w fałszywych kolorach - obraz z Voyagera 1

• Jowisz obiega Słońce w odległości mniej więcej 5,2 raza większej niż Ziemia (jowiszowy rok trwa 11,86 roku ziemskiego), co sprawia, że powierzchnia otrzymuje około 25 razy mniej energii ze Słońca,
• mimo to Jowisz emituje 2 razy więcej energii niż jej otrzymuje od Słońca - uznaje się, że jest to wynik nadal postępującego powolnego zapadania się planety, czego efektem jest generowanie ciepła
• średnia gęstość Jowisza wynosi 1,33 g/cm3 czyli 4 razy mniej niż w przypadku Ziemi, jednak średnica wynosi około 140 tysięcy km (zależnie od tego jak zdefiniowana jest powierzchnia), objętość 1000 razy, a masa 318 razy większa niż masa Ziemi
• w efekcie przyśpieszenie grawitacyjne na górnym pułapie chmur Jowisza jest 2,5 raza większe niż na powierzchni Ziemi. Oznacza to, że człowiek, który waży 75 kg, na Jowiszu ważyłby około 177 kg
• okres obrotowy nie jest stały w przypadku warstwy chmur, ale średnio jest to 9,8 godziny (najszybciej w Układzie Słonecznym)
• Jowisz ma 67 księżyców, z których najbardziej znane są 4 odkryte przez Galileusza w 1610 roku
• księżyc Ganimedes, o średnicy 5268 km, jest większy niż planeta Merkury
• jest także system pierścieni (aczkolwiek dużo słabszy niż w przypadku Saturna)
• masa Jowisza jest 80 razy mniejsza niż minimalna masa jaką musi mieć obiekt by został uznany za gwiazdę (masa jest warunkiem koniecznym dla zaistnienia reakcji fuzji jądrowej)
• pole magnetyczne Jowisza jest 20 tysięcy razy silniejsze niż pole Ziemi

Obecny model struktury wewnętrznej Jowisza - pod niewielkiej grubości warstwą chmur, znajduje się obszar wypełniony gazowym wodorem i helem. Poniżej mamy ciekły metaliczny wodór i jądro, prawdopodobnie skalne.

Dzięki misji Galileo dowiedzieliśmy się przede wszystkim tego jak jeszcze wiele tajemnic skrywa Jowisz i jego księżyce. Wiemy już jednak czego szukać dzięki informacjom o:

• pochodzeniu jowiszowych pierścieni - ich źródłem jest wybita przez meteoroidy z powierzchni wewnętrznych księżyców materia
• zorzach (obecnie da się je zaobserwować również z Ziemi) i dynamice zmian w powłoce chmur - na Jowiszu panują burze podobnie jak na Ziemi, tylko o wielokrotnie większej skali i sile
• znacznie mniejszej koncentracji wody niż spodziewana
• aktywności wulkanicznej na księżycu Io oraz istnieniu pola magnetycznego w przypadku Ganimedesa
• mamy także świadectwa istnienia oceanów skrytych pod warstwą lodu Europy, Callisto i Ganimedesa (to nadal tylko teoria, ale coraz więcej danych wskazuje na jej poprawność)

Zorze na Jowiszu

Powierzchnia Europy

Aktywność wulkaniczna na Io

Ciągłe obserwacje Jowisza oprócz niesamowitych zjawisk zórz polarnych, przyniosły nam niezwykłą zagadkę jaką jest zmniejszający się rozmiar Wielkiej Czerwonej Plamy. Od końca XIX wieku zmniejszyła się dwukrotnie. W zasadzie nie jest to nic niezwykłego, bo sztormy nie muszą trwać wiecznie, ale problemem jest dokładne wyjaśnienie mechanizmu, który za to odpowiada w przypadku Jowisza.

Być może tę zagadkę pomoże rozwiązać nam właśnie sonda Juno. A cele tej misji są następujące:

• badania składu atmosfery i jej dynamiki - przede wszystkim pomiary zawartości wody i amoniaku, które wchodzą w skład najbardziej charakterystycznych struktur (chmur) na Jowiszu
• analiza pola grawitacyjnego z pomocą fal radiowych pomoże określić rozkład masy wewnątrz planety, a nadal nie mamy pewności co do tego jak zbudowane jest wnętrze tej planety - przypuszcza się, że jądro jest skaliste i waży tyle co kilkanaście Ziemi
• badania magnetosfery w obszarach podbiegunowych i tworzenie trójwymiarowych modeli zórz polarnych
• obserwacje wizualne planety z bliska - najciekawsza dla miłośników astronomii część projektu. Zdjęcia posłużą również weryfikacji obserwacji z innych instrumentów na pokładzie Juno.

Rozwikłanie tajemnic powstania Układu Słonecznego - to podstawowe zadanie Juno

Realizacje każdego z zadań przyświeca jeden cel - lepsze zrozumienie genezy planet gigantów, ich stabilności, a także powstawania układów planetarnych w tym naszego. W świetle ponad dwudziestu lat badań układów pozasłonecznych, to pytanie jest bardzo istotne.