7. Юпитер.

7.1. Juno: тайная жизнь гиганта.

В июле 2016 года зонд NASA Juno успешно вышел на промежуточную орбиту вокруг планеты-гиганта Юпитера, и поэтому стоит узнать, что и как он изучает после начала научной работы.

Juno.

Juno – далеко не первый исследователь Юпитера, но большинство зондов пролетало мимо и изучало планету лишь с пролетных траекторий.

Почти всегда гигант использовался для ускорения при гравитационных маневрах, и лишь в 90-е к нему прилетел аппарат NASA Galileo.

В отличие от Galileo, Juno полностью посвятила себя исследованию Юпитера и провела более тесные сближения и осмотр полярных областей.

Согласно распространенной шутке, Юнона (Juno), жена Юпитера, летит узнать, как он проводит время со своими любовницами и любовниками, имена которых даны многим спутникам планеты-гиганта. На самом деле миссия Juno не касается взаимоотношений Юпитера и его спутников, это исследование всецело посвящено самому гиганту.

Главные научная задача Juno – лучше узнать строение Юпитера. Это знание позволило бы больше узнать о процессах формирования газовых гигантов в Солнечной и других планетных системах.

Юпитер – уникальное тело для нашей системы – практически переходная форма от планеты к коричневому карлику. Всего под несколькими сотнями километров гелий-водородно-аммиачной газовой атмосферы Юпитер наполнен морем жидкого водорода, на дне которого еще более экзотическое вещество – металлический водород. Огромное давление и температуры формируют условия, которые просто так невозможно даже представить на Земле, можно лишь провести математическое моделирование или получить миллиграммы подобного вещества в лаборатории. Как распределяются слои в недрах Юпитера, какие там процессы происходят, есть ли твердое ядро в самом центре? На эти вопросы должна была ответить Juno.

Взгляд в Большое красное пятно должен был позволить увидеть не только богатый внутренний мир Юпитера, но и лучше понять процессы формирования планетных систем и более экзотических объектов Вселенной: коричневых карликов. Чтобы стать коричневым карликом Юпитеру понадобится найти где-то еще дюжину своих близнецов, а чтобы дойти до состояния звезды – восемь десятков. Тем не менее, Юпитер – уже совсем не та планета земного типа, которые сейчас лучше всего изучены.

Juno оборудовали приборами, каждый из которых по-своему должен был извлечь знания из юпитерианских глубин.

Внешняя газовая оболочка – самая доступная для изучения, поэтому на нее было нацелено больше всего приборов, но процессы, происходящие в юпитерианских облаках, должны были подсказать, что происходит глубже. Внешнюю атмосферу Юпитера доверили изучать двум спектрометрам: инфракрасному и ультрафиолетовому. Для «массового зрителя» установили отдельную камеру, которая снимает в видимом диапазоне, ее задача – радовать нас красивыми фото, пока она не умрет от радиации.

Инфракрасная камера должна увидеть тепловые потоки в атмосфере на глубине до 70 километров. Чтобы инфракрасные данные о Юпитере были полнее, планету заранее стали наблюдать при помощи наземных телескопов, в том числе европейского VLT.

В ультрафиолете должны были наблюдаться полярные сияния Юпитера. Сейчас этим занимается только телескоп Hubble.

Полярные сияния интересуют ученых не только с эстетической точки зрения. Магнитное поле Юпитера – самое сильное из планет Солнечной системы. Оно является причиной формирования самых мощных радиационных поясов, а хвост магнитосферы тянется на сотни миллионов километров аж до орбиты Сатурна. Природа образования магнитного поля таится в глубинах Юпитера и связана с токами в жидком металлическом водороде во внешнем ядре планеты-гиганта, поэтому изучение магнитного поля и радиационных поясов – еще одна важная задача Juno.

Например, уже сейчас известно, что у Юпитера, так же как и у Земли, географический полюс не совпадает с магнитным.

В отличие от Земли, у Юпитера есть свой собственный источник заряженных частиц, который наполняет радиационные пояса. У нас приходится ждать солнечной вспышки, чтобы увидел полярные сияния, а Юпитеру достаточно очередного крупного извержения на ближайшем крупном спутнике Ио. А поскольку Ио бурлит всегда, то и фейерверки на полюсах Юпитера не редкость.

Вулканы Ио выбрасывают пыль и газы, атомы которых ионизируются солнечным ультрафиолетом и пополняют магнитосферу Юпитера, становясь большой проблемой для космических аппаратов и возможных будущих покорителей Европы.

Для изучения заряженных частиц и плазмы Juno оснастили двумя датчиками низкоэнергичных и высокоэнергичных частиц. Специальная антенна призвана изучать радиоволны, которые создаются полярными сияниями и грозами.

Задачей магнитометра стало картографирование магнитного поля, расположенного на одном из «крыльев» космического аппарата. Этот прибор очень чуток к изменениям магнитного поля, поэтому его постарались вынести как можно дальше от электрооборудования Juno.

Для повышения точности показаний, магнитометр оснастили звездными датчиками, которые должны определять положение прибора, ориентируясь по звездам. Когда Juno пролетала мимо Земли, звездные датчики удалось протестировать и одновременно использовать в качестве видеокамеры.

Взгляд в самое нутро атмосферы Юпитера аппарат Juno должен был произвести при помощи микроволнового радиометра, позволяющего наблюдать тепловые потоки на глубине до 600 километров.

Наконец, пожалуй, одно из самых важных исследований планировали провести путем регистрации отклонений в гравитационном поле планеты. Результатом должно было стать понимание строения Юпитера, распределения слоев, уточнение массы его ядра и более точное понимание его состава. Как ни странно, для этих целей на аппарат не установили отдельного прибора. Анализ планировали производить по радиосигналу: неоднородности гравитационного поля на ничтожные доли процента должны были менять скорость космического аппарата, и эти отклонения бы определялись на Земле по эффекту Допплера, который смог бы удлинять или укорачивать волну радиосигнала Juno.

К февралю 2018 года, миссия Juno должна была завершиться путем сведения аппарата в плотные слои атмосферы планеты-гиганта.

Такое бесследное уничтожение аппарата предусмотрено, чтобы избежать опасности заражения земными микроорганизмами поверхности спутников Юпитера, прежде всего Европы, где надеялись найти собственную жизнь.

Во время работы Juno на Юпитер должен был упасть очередной крупный астероид, и это событие планировалось исследовать всем инструментарием. Как показывают наземные наблюдения, такие столкновения для Юпитера не редки, хотя предшественнику Juno, зонду Galileo, в 90-е повезло еще больше – он смог наблюдать падение кометы Шумейкеров-Леви 9 в 1994 году.

Любопытно, что до сих пор в верхней атмосфере Юпитера наблюдается повышенное содержание воды в тех регионах, куда произошло падение фрагментов кометы. Это открытие было сделано инфракрасным телескопом Herschel, и Juno тоже попытался оценить запасы воды.

Глава первоначально подготовлена для научно-популярного портала «Чердак», и опубликована под названием «Тайная жизнь гигантов».

Страница: https://chrdk.ru/sci/juno_mission.

7.2. Juno: что у бога под одеждой.

Автоматическая межпланетная станция NASA Juno проработала на орбите у планеты-гиганта Юпитера два года. Несмотря на технические проблемы, станция собрала немало интересных данных, наснимала изобилие красочных фото и значительно приблизилась к целям своего исследования – узнать, что скрывается в облачных недрах самой большой планеты Солнечной системы.

Благодаря новой орбите, позволяющей тесные сближения и осмотр издалека, Juno получает уникальную информацию.

В отличие от большинства дальних космических станций, Juno оборудована солнечными батареями, которые раскинулись на огромную площадь 64 кв м. На расстоянии Юпитера поступление энергии от Солнца составляет примерно 4 % от земного уровня, поэтому солнечные батареи Juno вырабатывают примерно столько энергии, сколько выдаст обычная земная солнечная батарея для дачи площадью 3 кв м. Такое решение было вынужденным, так как у NASA закончился плутоний-238, который использовали для радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Последние запасы изотопа, в 90-е годы купленные в России, ездят по Марсу в составе марсохода Curiosity и полетели ко внешним пределам Солнечной системы в зонде New Horizons. Сейчас NASA возобновило производство плутония-238, но временно перешло на солнечную энергию.

Juno находится на вытянутой орбите вокруг Юпитера. Ближайшая точка полета над облачным слоем планеты-гиганта проходит на высоте 4200 километров, а дальняя – на расстоянии 8 миллионов километров. Полный облет станция совершает за 53,5 земных дня. Предварительный план полета предполагал сокращение эллипса орбиты до расстояния от 4200 километров до 3 миллионов километров. План пришлось менять, когда Juno столкнулась с техническими проблемами. Заело два клапана на гелиевых баках наддува топливных баков. Двигатель не смог выполнить маневр торможения и понижения орбиты, поэтому пришлось оставаться на переходной. Благодаря новой орбите стало возможным продление миссии аппарата, так как на ней меньше воздействие радиационных поясов планеты, и бортовая электроника с научными приборами прослужит дольше. В начале июня 2018 года ученые продлили научную деятельность Juno до 2021 года, а чиновники выделили на это средства.

С лета 2016 года до мая 2018-го Juno совершила двенадцать оборотов по своей орбите и смогла передать новые данные о распределении атмосферных слоев планеты, проникнуть под облачное покрывало полюсов Юпитера, открыть новый радиационный пояс и узнать о неожиданной связи недр гиганта с его магнитным полем. Все желающие имеют доступ к архиву снимков цветной камеры Juno (www.missionjuno.swri.edu/junocam), и энтузиасты самостоятельно занимаются их обработкой, создавая настоящие художественные полотна.

Наиболее эффектные картины тайфунов в инфракрасном диапазоне получились у полюса Юпитера. Один центральный полярный тайфун планеты окружен восемью другими стабильными тайфунами, причем они плохо заметны при взгляде «невооруженным глазом» и находятся на глубине.

Юпитер – не единственная планета Солнечной системе с постоянными атмосферными структурами на полюсе. Венера обладает парой тайфунов, которую тоже рассмотрели на облачной глубине в инфракрасном диапазоне. Полюс Сатурна украшает правильный шестиугольник, и хотя точно не установлены причины его возникновения, но экспериментально подтверждена возможность формирования шести тайфунов вокруг одного центрального.

Принес Юпитер сюрпризы и у более изученного экватора. Оказалось, что светлая экваториальная полоса – это поток аммиака, который поднимается из более глубокого слоя.

Ранее считалось, что верхняя атмосфера планеты-гиганта на глубину до 100 километров однородна, теперь же ясно, что это не так.

Происхождение коричневых и оранжевых оттенков в атмосфере пока неизвестно, по одной из гипотез – это углеводороды, которые меняют свой цвет под воздействием солнечного ультрафиолета. Другое возможное соединение – гидросульфид аммония, желтоватая соль на основе азота, серы и водорода. Белые облака – это кристаллы аммиака. Скорость движения встречных потоков ветра достигает 360 км/ч.

Знаменитое Большое Красное пятно Юпитера – это крупный антициклонный шторм, который возникает на стыке встречных атмосферных потоков в южном полушарии, поднимается на восемь километров выше окружающих облаков и уходит в недра планеты на глубину до 300 километров. Красное пятно имеет около 16 тысяч километров в поперечнике, то есть больше диаметра Земли. Оно наблюдается более 200 лет и за это время приобрело более темно-оранжевый цвет, и сократило свои размеры вдвое, постепенно уменьшаясь и сегодня. По краю Красного пятна дуют ветры на скоростях до 430 км/ч, но внутри движение медленнее. Причины возникновения и длительной стабильности Большого красного пятна Юпитера неизвестны, возможно, это как-то связано с неоднородностью магнитного поля планеты.

Магнитное поле Юпитера сложнее в северном полушарии планеты, где между экватором и полюсом наблюдается обширная область высокой напряженности магнитного поля, которая падает к северному полюсу. Южнее экватора магнитное поле также имеет неоднородности, в том числе в районе Красного пятна. Как считается, магнитное поле возникает от токов, протекающих во внешнем ядре Юпитера, состоящего из жидкого «металлического» водорода, который формируется в условиях высокого давления на глубине ниже 15 тысяч километров.

Магнитное поле планеты-гиганта, взаимодействуя с солнечным ветром, а также плазмой и заряженными частицами, которые выбрасываются с естественных спутников, формирует мощные радиационные пояса. Радиационные пояса Земли пополняются в основном от Солнца, у Юпитера же главный источник ионизирующего излучения – выбросы газов с Ио и других больших спутников: Европы, Ганимеда, Каллисто. Ио располагается ближе всех к Юпитеру и является самым вулканически активным телом в Солнечной системе: постоянно там извергаются десятки вулканов, и Juno смогла увидеть их в инфракрасном диапазоне.

Пролетая на близком расстоянии от облачной поверхности Юпитера, Juno смогла уточнить характеристики известных радиационных поясов и даже обнаружить новый. Три луны планеты-гиганта вращаются внутри радиационных поясов, которые представляют угрозу для электроники и будущих покорителей космоса. Электроны и тяжелые заряженные частицы: протоны, ионы различных газов, обладающие высокой энергией и скоростью, вращаются вокруг планеты на расстояниях до 1 миллиона километров. Оказалось, и на близком расстоянии от планеты в плоскости экватора имеется радиационный пояс, наполненный ионами водорода, кислорода и серы, которые движутся на скоростях близких к скорости света. Ближе к полюсам ожидалась встреча с элементами радиационного пояса, наполненного легкими и быстрыми электронами. Но и там Juno зарегистрировала наличие тяжелых заряженных частиц, которые создают большой шум в приборах.

Хотя Юпитер – газовый гигант и не имеет твердой поверхности, он далеко не весь наполнен облачными вихрями. Так называемый «погодный слой» Юпитера, который демонстрирует эффекты атмосферной динамики, простирается вглубь примерно на 3 тысячи километров. Дальше высокое давление и температура превращает основной компонент атмосферы планеты-гиганта – водород – в электропроводящую жидкость. Благодаря электропроводности, жидкий «океан» Юпитера попадает в зависимость от мощного магнитного поля планеты, и ветер «погодного слоя» уже не властен над ним. Глубже 3 тысяч километров планета ведет себя как твердое тело, что установлено при помощи анализа гравитационного поля. Предполагается, что у Сатурна облачный «погодный слой» должен быть еще толще, а у коричневых карликов, которые тоже родственны Юпитеру, – наоборот тоньше.

Исследование Юпитера продолжается. Пока не обработаны все накопленные Juno данные, и миссия идет полным ходом, поэтому впереди новые открытия, разгадки и новые тайны из недр самой большой планеты Солнечной системы.