Много лет пировал Юпитер со своими возлюбленными в холодных чертогах внешней Солнечной системы. Ио, Европа и Каллисто делили с Юпитером стол, а Ганимед наливал вино. Но люди, известные своим любопытством, силой прометеева огня отправили автомат подглядывать за пиршеством. Не воздающие должного почтения богам даже посмели назвать автомат Юноной, в честь жены Юпитера, которую он не пригласил на пир. Разгневался тогда Юпитер, и, засияв нестерпимо ярким полярным сиянием, ослепил Юнону.
Старые тайны
По современным космологическим представлениям из всех планет Солнечной системы Юпитер сформировался первым.
Это могло выглядеть так
Протопланетный диск и Солнце должны иметь схожий состав, потому что образовались из вещества, находившегося в одном месте. Поэтому Юпитер должен был бы очень сильно походить на Солнце. Однако, спустившийся в атмосферу газового гиганта в 1995 году зонд «Галилео» обнаружил, что расчеты ученых оказались неверны. Гелия на Юпитере оказалось гораздо меньше, чем на Солнце, и меньше, чем должно было быть по расчетам. Водяного пара, углерода, неона, серы тоже оказалось меньше, чем ожидалось. Зато азота в форме аммиака обнаружилось больше расчетного. Следовательно, наши модели формирования Юпитера и модели образования Солнечной системы в чем-то ошибочны.
После образования планета совершила немаленькое путешествие, смещаясь по орбите и «поедая» массу, которая могла бы пойти на что-то более полезное для будущего человечества (вроде большого и тяжелого Марса с полноценной атмосферой).
Но поглощенная масса не могла сформировать ядро планеты — вещество падало в плотную атмосферу на космических скоростях и должно было испаряться от нагрева. Если у Юпитера есть ядро (а современная наука склоняется к этому), то в молодой Солнечной системе должен был образоваться очень крупный зародыш планеты из тяжелых элементов, что противоречит современным моделям с планетезималями километрового размера и зародышами планет с массой от лунной до земной.
Наконец, скорее всего, под влиянием Сатурна, обе планеты отошли во внешнюю Солнечную систему, и сейчас Юпитер обращается на расстоянии пяти астрономических единиц от Солнца. В результате таинственных процессов в молодой Солнечной системе Юпитер обладает максимально возможным физически диаметром (более тяжелая планета будет иметь меньший диаметр из-за большего сжатия вещества), массой в три сотни земных, своей мини-солнечной системой из множества спутников и даже небольшими кольцами. Юпитер можно назвать «планетой на стероидах» — из-за огромной массы внутри планеты действуют циклопического масштаба силы, и все явления, связанные с ней, страдают гигантизмом. У Юпитера колоссальных размеров и мощности магнитосфера (сильнее земной в 14 раз), порождающая гигантские полярные сияния.
В эти тайны газового гиганта и погрузится зонд «Юнона», который должен выйти на орбиту вокруг Юпитера вечером 4 июля по времени США (в России будет утро 5 июля). Задачи, которые будет решать «Юнона», легко запомнить по аббревиатуре ПСАМ — Происхождение, Строение, Атмосфера, Магнитосфера.
Научная карусель
ПСАМ Юпитера Юнона будет изучать разнообразным набором инструментов:
Микроволновый радиометр (MWR) заглянет на 550 километров под кромку облаков и сможет определить содержание водяного пара в атмосфере. Конструктивно он представляет из себя шесть антенн на боках аппарата:
Гравитационный эксперимент (Gravity Science Experiment) будет использовать антенны для связи с Землей для очень точного определения гравитационного поля. Сигнал с Земли будет немедленно ретранслироваться, и смещение его частоты из-за эффекта Доплера позволит определить небольшие изменения в скорости из-за неравномерности гравитационного поля Юпитера.
Направленная антенна будет использоваться в этом эксперименте
Магнитометр (MAG), вынесенный в сторону на конце одной из солнечных панелей (это стандартное решение, везде магнитометры стараются убрать подальше от работающей электроники аппарата) позволит составить трехмерную карту магнитного поля Юпитера.
В эксперименте «распределение частиц в полярном сиянии» (JADE) три электронных датчика и один ионный будут ловить частицы полярного сияния.
Детектор частиц высоких энергий (JEDI) из трех одинаковых датчиков будет определять, как летающие в окрестностях частицы высоких энергий взаимодействуют с магнитосферой Юпитера. Большое количество таких частиц попадает в ловушку магнитного поля Юпитера и горит полярным сиянием на полюсах.
Инфракрасный картограф полярных сияний (JIRAM) позволит получить спектры полярных сияний и узнать состав атмосферы около них.
Ультрафиолетовый спектрограф (UVS) даст возможность дистанционно узнать состав верхней атмосферы в другом диапазоне, дополнив JIRAM.
Инструмент «Волны» (Waves) из двух антенн будет фиксировать радио- и плазменные волны в окрестностях Юпитера. Одна антенна конструктивно не сильно отличается от тех, которые когда-то стояли «рогами» на телевизорах, а вторая представляет собой обычную магнитную катушку.
Ну и, наконец, камера JunoCam не несет серьезной научной нагрузки, а добавлена ради целей популяризации и пиара. Работающая в видимом свете камера должна будет не меньше 7 орбит делать красивые фотографии, а потом выйдет из строя в том радиационном аду, куда будет нырять «Юнона» каждый виток.
Все инструменты установлены на бортах аппарата, и, в рабочем режиме «Юноны», будут то заглядывать в глубины Юпитера, то «отдыхать» и калиброваться, смотря в противоположную сторону.
Вальс Фоллаута
Вращение «Юноны» — это сознательное решение. Из многих способов ориентации и стабилизации космических аппаратов стабилизация вращением позволяет «бесплатно» сохранять нужное положение по одной оси, затратив топливо только на раскрутку аппарата и не требуя работы электроники для поддержания установившейся ориентации. В условиях мощнейших магнитных полей и частиц высоких энергий полноценная трехосевая ориентация может дать сбой и перевести аппарат в защищенный режим с потерей научной программы на этом витке, а вращающийся волчок «Юноны» сохранит правильное положение при любом отказе любой электроники. На пути к Юпитеру «Юнона» вращалась со скоростью 1 об/мин, рабочий научный режим составляет 2 об/мин, а для маневров аппарат будет раскручиваться до 5 об/мин.
Исключение электроники из управления зондом на самых радиационно-опасных участках — не единственная мера борьбы с электромагнитным гневом Юпитера. За миссию поверхность аппарата получит дозу в 11 мегарад или 110 тысяч зиверт. Для сравнения — полученный в один момент 1 зиверт — это начало лучевой болезни у человека, а доза в 6 зиверт уже смертельно опасна. Электроника сильнее плоти, но такие дозы были бы фатальными и для нее. Поэтому на Юноне стоит радиационное «убежище» из титана толщиной 1 см и общей массой 200 кг. Внутри него электроника должна получить всего 25 килорад (250 зиверт) за всю миссию, при этом электроника рассчитана на вдвое большую дозу. Электронику, которую нельзя поместить в бункер, приходится защищать на месте, например, больше половины массы звездного датчика занимает защита от излучений.
37 прыжков в ад
Торможение у Юпитера 4/5 июля будет началом миссии. Уменьшив свою скорость на 542 метра в секунду «Юнона» выйдет на предварительную орбиту периодом 53,5 дня. Если торможение не будет успешным, то зонд навсегда разминется с Юпитером. Поэтому на этом этапе на всякий случай выключат все научные приборы, чтобы не было случайных помех. После двух витков на предварительной орбите «Юнона» выйдет на научную орбиту периодом 14 дней.
На этой высокоэллиптической орбите «Юнона» будет периодически нырять в непосредственную близость к Юпитеру (на высоту 4-8 тысяч километров от уровня облаков) и снова отходить за орбиту Каллисто. Из-за вращения Юпитера орбита каждый раз будет проходить над разными меридианами, и аппарат сможет пролететь над всей поверхностью, что позволит создать трехмерные карты магнитосферы всего Юпитера.
Если все пойдет по плану, то на 37 витке «Юнона» выполнит последний маневр и 20 февраля 2018 года сгорит в атмосфере Юпитера.
Бедность и дефицит радиации
Полная стоимость проекта оценивается в 1,1 миллиарда долларов США 2011 года. Это немного для космоса, поэтому среди технических решений можно найти такие, которые, в зависимости от настроения, можно назвать триумфом изобретательности или же вынужденными хитростями от бедности.
Прежде всего, «Юнона» не летела к Юпитеру прямой дорогой. Чтобы не использовать более грузоподъемную и более дорогую ракету-носитель, зонд запустили сначала за орбиту Марса, а затем провели гравитационный маневр у Земли.
Такое решение позволило увеличить скорость на 70%, но из-за необходимости возвращаться к Земле «Юнона» летела лишние два года. Учитывая, что разработка аппарата началась в 2006 году, получается, что люди отдадут этому проекту 12 лет своей жизни. В таком случае ученые и инженеры смогут поучаствовать только в одном, если очень повезет, двух космических проектах за свою научную карьеру. И это немного грустно.
Во-вторых, большие солнечные панели, очень высокотехнологичные, которые так сейчас хвалят, являются далеко не идеальным решением. На орбите Юпитера (5 а.е.) «Юнона» будет получать только 1/25 энергии Солнца, по сравнению с земной орбитой. Поэтому зонд с раскрытыми панелями превышает 20 метров в ширину, а масса панелей составляет 340 кг. В то же время небольшой, легкий, работающий без системы управления радиоизотопный генератор (РИТЭГ) оказался бы гораздо лучшим выбором, обеспечив «Юнону» теплом и электричеством. Но в США давно остановили производство своего плутония-238 для РИТЭГов, и, например, «Кьюриосити» питает и обогревает плутоний российского происхождения. В 2013 году производство американского плутония возобновили, но до сих пор он является дорогим и дефицитным продуктом.
Бремя пиара
Кроме научных задач «Юнона» занимается также популяризацией науки и космонавтики, в том числе и для детей. Во-первых, камера JunoCam была добавлена для нашего с вами удовольствия — она будет радовать нас красивыми фотографиями Юпитера первые семь витков. Говорят даже, что общественность сможет принимать участие в выборе целей для фотографирования. Во-вторых, NASA заключило партнерское соглашение с LEGO, и на аппарате летят три лего-фигурки: Юпитера, Юноны и Галилео Галилея.
А на пресс-конференции была модель «Юноны» из лего
Будем надеяться, что это вдохновит кого-нибудь из будущих ученых, инженеров или космонавтов.
Эпилог
Мы не знаем, какие фото покажет нам JunoCam. Но мы знаем, что, летая по полярной орбите «Юнона» будет смотреть на Юпитер сверху и снизу. Чтобы закончить на мажорной ноте, я попытался найти несколько эффектных ракурсов того, что мы можем увидеть в течение следующих месяцев. А помог мне в этом замечательный планетарий-песочница SpaceEngine.
Юпитер всегда виден нам с Земли полностью освещенным. А вот аппарат на его орбите может сделать фото полумесяца планеты. А тень от одного из галилеевых спутников дополнительно украсит картину.
Четыре галилеевых спутника часто образуют эффектные фигуры. На заднем фоне видно созведие Ориона и Плеяды.
Можно увидеть и прямую линию.
Вид на северный полюс и Магеллановы облака.
Вид на южный полюс и созвездие Большой Медведицы.
