Sonda Juno

*Prispevek je bil objavljen v reviji Spika (maj 2016). Sonda Juno se je 5. julija 2016 uspešno utirila v svojo prvo orbito okoli Jupitra.

Raziskovalna sonda z imenom Juno je tik pred srečanjem s kraljem planetov našega Osončja - Jupitrom. Že samo ime sonde nam pove, čemu je namenjena. Kljub intenzivnemu raziskovanju našega Osončja je namreč največji med planeti še vedno zavit v tančico skrivnosti. Tako se je v eni izmed številnih zgodbic starega Rima bog Jupiter zavil v meglico, da bi prikril svoje grehe, predvsem pa varanje svoje žene. Njegova žena Juno je vseeno uspela odstreti meglico in pogledati v njegovo pravo naravo ...

Sonda Juno in njeni trije kraki sončnih panel. Na koncu desnega kraka vidimo magnetometer. Antena za gravitacijske meritve je velik srebrn krog na sredini. Na stranicah in zadnji plošči pa so nameščeni ostali merilni inštrumenti. Vir: NASA.

Glavni cilji misije so meritve sestave, temperature in dinamike Jupitrove atmosfere, mapiranje njegovega gravitacijskega in magnetnega polja ter raziskovanje polarne magnetosfere. Na ta način želijo razvozlati uganko njegove skrite notranjosti in njegovega nastanka ter posledično nastanka celotnega Osončja.

MOTIVACIJA

Po trenutnih modelih naj bi Jupiter v zgodnjih fazah razvoja Osončja nastal kot prvi planet za Soncem, potem pa je s svojo gravitacijo in gibanjem vplival na razporeditev preostanka snovi. Iz te so nato sčasoma nastali ostali planeti - torej je Jupiter gledano skozi razvoj glavni krivec za razporeditev vode in ostalih elementov, ki so potrebni za življenje na Zemlji.

Znanstveniki zazdaj še ugibajo, ali ima kralj planetov v svojem središču trdno ali zgolj zelo gosto jedro. Prav tako je neznanka natančna zgradba planeta. Pred kratkim smo lahko videli impresivne fotografije avrore na planetovih polih v rentgenski svetlobi, pa vendar mehanizma njihovega nastanka ne poznamo dobro.

Groba sestava Jupitra, kot jo trenutno prikazujejo veljavni modeli na podlagi preteklih meritev. Juno bo s pomočjo raznovrstnih meritev poskusila odstreti nevidno notranjost planeta in nam poslati podatke o sestavi posameznih delov in njihovo dinamiko. Vir: NASA.

V letih med 1995 in 2003 je planet preučevala sonda Galileo. Z njeno pomočjo so raziskovalci izmerili, da je na Jupitru delež težkih elementov (Ar, Kr, Xe, C, N, S, O) v primerjavi z vodikom dva- do trikrat večji kot na Soncu. Sondine meritve prisotnosti vode so sicer pokazale precej nizke vrednosti, vendar predvidevajo, da je bila to zgolj posledica naključja - Galileo naj bi meril v nesrečni plasti planetove atmosfere, ki je zelo suha.

Prisotnost težkih elementov in vode sta tesno povezana z nastankom planeta. Območje primarnega oblaka, iz katerega je Jupiter zbiral svoj material, je bilo očitno obogateno s težkimi elementi. Če je velikan nastajal v predelih blizu Sonca, potem ima v svoji notranjosti manj vode, kot če je nastajal v zunanjih področjih. Prisotnost vode nam tako govori o zgodnjih fazah nastajanja, obenem pa tudi o tem, kako so kasneje nastali preostali planeti.

Jupiter ima izjemno močno magnetno polje. Zazdaj vemo, da nastane kot posledica gibanja ogromnega oceana tekočega kovinskega vodika v njegovi notranjosti, natančen mehanizem pa ni znan. Jupiter je po sedaj znanih podatkih bolj vroč v sredici kot zunaj, vemo pa tudi nekaj malega o prenosu toplote v zunanji atmosferi. Opazovanja z Zemlje so v tem kontekstu problematična, saj lahko vidimo zgolj tanko plast zgornjega dela atmosfere. Obenem so natančnejša radijska opazovanja onemogočena zaradi motenj sevalnih pasov okoli planeta.

Groba slika Jupitrove magnetosfere in s svetlo barvo označemimi sevalnimi pasovi, ki se jim bo sonda poskusila vsaj v začetnih orbitah izogniti. Vir: NASA.

Tako kot je v znanosti pogosto in v navadi, nam trenutni podatki in teoretični modeli postavljajo več neznank kot odgovorov. Sonda Juno bo s svojimi meritvami poslala na Zemljo nekaj zelo zanimivih podatkov, ki nam bodo pomagali pri razlaganju sestave in dinamike v planetovi atmosferi, obenem pa bo z meritvami poskušala prodreti v nevidno notranjost planeta. Motivacije za pošiljanje satelitov v oddaljene predele našega Osončja očitno ne manjka, drugo vprašanje pa so seveda razpoložljiva finančna sredstva.

SONDA JUNO

Juno so v Osončje izstrelili 5. avgusta 2011, do Jupitra pa bo predvidoma prispela 5. julija 2016. Na svoji poti bo prepotovala 2.8 milijarde kilometrov. Z misijo povezani stroški naj ne bi presegli 1,1 milijarde dolarjev. Postavimo stvar v perspektivo - toliko znaša dvoletni proračun slovenske vojske. Izgradnja trenutno največjega optičnega teleskopa na svetu, GranTeCan na Kanarskem otoku La Palma (premer 10 m), pa je znašala 130 milijonov evrov.

Juno se napaja preko treh ogromnih plošč s sončnimi celicami. Na tem področju je rekorderka, saj tako daleč od Sonca še nobena sonda ni imela napajanja na svetlobo s Sonca. Posledično bo prejela zgolj 4 % energije, kot bi jo, če bi krožila na oddaljenosti Zemlje. Sončne celice bodo proizvedle maksimalno 500 W moči, kar je četrtino moči, ki jo porabi običajni sušilec za lase ali sesalec za prah. Temu primerno so morali prilagoditi orbito sonde, saj ne sme potovati skozi Jupitrovo senco.

Sestavljanje sonde v prostorih podjetja Lockheed Martin. Tako si lažje predstavljamo, kako velik stroj je Juno. Vir: NASA.

Juno se pri svojem potovanju okoli svoje osi zavrti 3-krat v eni minuti in tako ohranja stabilnost. Okoli Jupitra bo potovala v zelo razpotegnjeni polarni orbiti. En obhod bo trajal 14 dni in tako bo v 20 mesecih svojega načrtovanega delovanja 37-krat zaokrožila okoli planeta.

Na točki, ko bo Juno najbližje Jupitru, bo zgolj 4300 km oddaljena od vrhov oblakov, potem pa se bo na svoji poti oddaljila na razdaljo večjo od orbite lune Kalisto (2,7 milijona kilometrov). Juno se bo na ta način izogibala nevarnim sevalnim pasovom. Jupiter ima namreč 14-krat močnejše magnetno polje od Zemljinega, to pa pospešuje nabite delce s Sonca do visokih energij, kar je za elektroniko v merilnih napravah in sončne celice smrtonosno. Najmočnejše sevanje se okoli Jupitra, tako kot v okolici Zemlje, pojavlja v pasovih podobnih Van Allenovim.

V delu orbite bližje planetu se bo sonda predvidoma spustila pod višino uničujočih sevalnih pasov, na drugem koncu orbite pa se bo oddaljila daleč stran. To so zgolj predvidevanja, saj natančna razporeditev sevalnih pasov ni znana. Jedro satelita je zavarovano z 1 cm debelo plastjo titana, s katerim želijo karseda zaščititi občutljive dele elektronike.

Sonda bo najverjetneje deležna precej manj uničujočega sevanja, kot ga je prejel Galileo na svoji ekvatorialni orbiti. Sprva bo potovala po tirnicah, na katerih se bo izognila sevalnim pasovom. Ker pa Jupiter ni sferičen temveč ima obliko elipsoida (sploščena krogla), bo orbito satelita počasi spreminjal, zato bo Juno vedo bolj zahajala tudi v območje uničujočega sevanja in to določa njeno življenjsko dobo. Predvidevajo, da bodo sončne celice pod bombardiranjem z visoko energetskimi delci počasi odpovedovale. V tem primeru bodo morali določene merilne inštrumente izklopiti, saj ne bo dovolj napajanja za vse.

Sestavljanje sonde v prostorih podjetja Lockheed Martin. Tako si lažje predstavljamo, kako velik stroj je Juno. Vir: NASA.

Februarja 2018 bodo Juno načrtovano poslali v Jupitrovo atmosfero in jo tako uničili. S tem se bodo izognili morebitni biološki kontaminaciji njegovih lun, saj bi sonda kasneje lahko trčila v katero izmed njih. Ni sicer pričakovati, da bi po takem dogodku na eni izmed lun zrastel gozd, vendar nekatere trdožive bakterije in virusi z nekaj sreče preživijo tudi neusmiljene razmere potovanja po Osončju.

MERILNE NAPRAVE

Juno s sabo nosi kar nekaj merilnih naprav. Gravitacijsko polje bodo merili s pomočjo radijskega sistema GS (Gravity Science). Gravitacijski merilci so pravzaprav na Zemlji. Sonda bo s pomočjo močne antene oddajala radijski signal, na Zemlji pa bodo potem preko meritev Dopplerjevega pojava merili spremembe hitrosti sonde. Te so neposredno odvisne od notranje sestave Jupitra.

Metoda lahko izmeri premike sonde do velikosti enega metra natančno! Antena GS mora biti obrnjena natančno proti Zemlji in to določa, kako je obrnjen celoten satelit. V tem času sonda zaradi svoje lege ne bo mogla izvajati radiometričnih meritev. Ko bo obrnjena tako, da jih bo lahko, pa ne bo mogla izvajati gravitacijskega merjenja, saj bo antena obrnjena v napačno smer.

Z modro linijo je označena idealna pot sonde v primeru, da bi bil Jupiter homogen elipsoid. Zaradi nepravilnosti v zgoščinah znotraj planeta, bo orbita sonde spremenjena, kar pretirano nakazuje rumena linija. Te premike bodo merili s pomočjo Dopplerjevega pojava. Vir: NASA.

Z meritvami v mikrovalovih bodo raziskovalci lahko ugotavljali, kako globoko v atmosfero segajo določene strukture, ki jih vidimo na površju planeta. To bodo počeli z merilnikom MWR (Microwave Radiometer). 6 anten razporejenih po stranicah jedra sonde bo raziskovalo notranjost atmosfere z meritvami mikrovalov v šestih različnih valovnih dolžinah. Satelit se bo vrtel, zato bodo lahko isto točko planeta opazovali z različnih kotov v 6 različnih frekvencah. S pomočjo meritev bodo določali sestavo planeta, skrito pod vrhovi oblakov, kemijsko sestavo in gibanje te snovi. S pomočjo sprememb temperature v notranjosti atmosfere bodo določali, koliko vode, amoniaka in ostalih snovi je v notranjosti. Naprave bodo segle do globine pri tlaku 1000 bar, to je nekje 500-600 km pod površjem.

Magnetometer (MAG) bo meril magnetno polje okoli planeta, s čimer raziskovalci želijo posredno preučevati globoko notranjost. Magnetno polje namreč povzročajo tokovi snovi globoko v notranjosti planeta. S pomočjo meritev magnetometra bodo naredili 3D model magnetnega polja okoli Jupitra. Naprava je nameščena na koncu ene od sončnih plošč, da bi se karseda izognili motnjam, ki jih bo povzročala sonda sama. Pravzaprav je MAG sestavljen iz več merilnikov, tako da bo lahko odštel nepravilnosti zaradi motenj naprav znotraj sonde. Merilci bodo merili tako smer kot jakost magnetnega polja.

Z merilnimi napravami JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment), JEDI (Jupiter Energetic-particle Detector Instrument) in WAVES (Plasma Waves Instrument) bodo vzorčili električno polje, plazmatske valove in merili energije in smeri vpadanja delcev (predvsem elektronov) okoli Jupitra. Tako bodo poskušali ugotoviti povezavo med magnetnim poljem okoli planeta in njegovo atmosfero. Posebej se bodo pri tem osredotočili na severni in južni pol planeta, kjer se pojavlja avrora.

UVS (Ultraviolet spectrograph) je namenjen fotografiji in spektroskopiji planetove atmosfere in avrore v UV svetlobi (68 - 210 nm). Obseg spektra je bil izbran tako, da lahko posnamejo vse pomembne UV emisije molekule vodika (H2), vodikove (H) Lymanove serije in pri daljših valovnih dolžinah absorpcijske odtise ogljikovodikov, ki nastanejo pri avrori. Teleskop tega inštrumenta ima celo vgrajeno zrcalce, s katerim lahko usmerijo pogled v različne dele planeta. Preučevanje morfologije in spektra avrore bo lahko potekalo na nočnem delu planeta, kar iz Zemlje praktično ni mogoče.

JIRAM (Jovian Infrared Auroral Mapper) bo imel podobno nalogo kot UVS, le da v infrardečem spektru (2 - 5 μm). Snemali bodo tudi termično sliko planetove atmosfere in posameznih manjših pojavov v njej. Z napravama UVS in JIRAM bodo poskušali iskati med drugim tudi prstne odtise posameznih plinov, ki so prisotni v atmosferi.
Nazadnje ne smemo pozabiti na barvno kamero JunoCam, ki bo namenjena fotografiranju planeta v barvni svetlobi. Namen te kamere je bolj ali manj navduševati javnost s spektakularnimi visokoločljivostnimi fotografijami. Tekom misije bo ekipa raziskovalcev na spletni strani zbirala predloge, kaj naj JunoCam posname. Astronomi z vsega sveta lahko na njihovo spletno stran že sedaj naložimo svoje fotografije, s pomočjo katerih bodo sproti sestavljali podobo (nekakšen "zemljevid") Jupitra. Tako bodo v delovanje misije poskušali vključevati zainteresirano javnost (posameznike, društva, šole itd.). Tu ste absolutno dobrodošli tako bralci Spike kot vsi navdušenci nad planeti in fotografijo.

JunoCam ima vidno polje 4,6 x 58 stopinj. Ko bo sonda nad Jupitrovim polom, lahko zajame skoraj celoten planet. Ko bo najbližje Jupitrovim oblakom, bo ločljivost znašala okoli 15 km/piksel! Slovenijo bi v tem primeru stlačili v približno 300 kockic. JunoCam snema v štirih barvah - modra, zelena, rdeča/IR in v absorbcijski črti metana (889 nm). S slednjo bodo preučevali prisotnost metana v atmosferi planeta.

Visokoločljivostni posnetki z Zemlje nam očitno kažejo, da je Jupiter zelo dinamičen planet. Njegova atmosfera nas vsako sezono pričaka v novih barvah. Velika rdeča pega je v nekaj letih povsem zamenjala barvni odtenek, njena okolica in pasovi okoli nje, pa so se povsem spremenili. Foto: Jure Atanackov in Matic Smrekar.

V času enega obhoda okoli planeta lahko sonda pošlje do 40 MB podatkov na Zemljo, kar znese med 10 in 1000 fotografijami (odvisno od kompresije). Pri tem velja spomniti, da je sonda Galileo zaradi posledic močnega obsevanja v področju sevalnih pasov izgubila podatke za vsaj nekaj obhodov (motnje v delovanju giroskopov, anten in ostalih elektronskih naprav)!

Jupitrovih lun z JunoCam najverjetneje ne bodo fotografirali, saj bodo predaleč, da bi bilo to smiselno. V idealnem primeru bi bila katera od večjih lun na fotografiji velika zgolj nekaj pikslov. Bodo pa poskusili fotografirati zanimive pojave, kot so strele v Jupitrovih oblakih, avrora in Jupitrove obroče, ki so jih sicer zabeležile že prejšnje sonde. Kamera sicer ni bila zasnovana za fotografijo zelo temnih objektov. Med potovanjem sonde proti Jupitru so z njo celo večkrat poskusili fotografirati zodiakalno svetlobo, vendar niso uspeli posneti ničesar.

Na fotografiji je surov izdelek barvne kamere JunoCam, ko je sonda letela mimo Zemlje. Vse skupaj je potem potrebno zložiti v eno barvno fotografijo. Vir: NASA.

Vsi merilniki najverjetneje ne bodo zdržali bombardiranja z intenzivnim sevanjem v Jupitrovih sevalnih pasovih. JunoCam in JIRAM naj bi v najslabšem primeru preživela vsaj 8 orbit, mikrovalovni radiometer pa vsaj 11 orbit. Ocene so narejene na podatkih, ki so raziskovalcem in inženirjem trenutno na razpolago.
Surove fotografije, posnete z JunoCam, bodo na voljo na spletni strani (www.missionjuno.swri.edu) in bodo na voljo vsakemu, da se preizkusi v obdelavi. To pa ni tako enostavno, saj se sonda vrti, planet posname v trakovih, med posameznimi posnetki pa se zavrti tudi planet. Pri preletu sonde mimo Zemlje so preizkusili delovanje kamere in za občutek so na voljo posnetki našega planeta. Poskusite!

*Prispevek je bil izvirno objavljen v reviji Spika.