Misja JUICE czyli łyk soku wiedzy o księżycach Jowisza

Wysoko, daleko ponad nami wokół Jowisza krąży prawie 70 naturalnych satelitów. Cztery z nich wyróżniają się niczym odrębne światy planetarne – są to odkryte przez Galileusza: Europa, Io, Kallisto oraz Ganimedes. Stanowią one prawie 99% masy krążącej wokół Jowisza i są jednymi z największych satelitów naturalnych w naszym Układzie Słonecznym, a ponadto charakteryzują się niezwykłą geologią. Europejska Agencja Kosmiczna opracowała misję o chwytliwej nazwie JUICE (Jupiter ICy Moons Explorer), która zbada trzy lodowe światy – Europę, Kallisto oraz Ganimedesa. Ostatni z nich jest naukowym celem numer jeden.

Czy dzięki tej misji skosztujemy smakowitego soku wiedzy z otoczenia gazowego giganta oraz dowiemy się więcej o środowiskach, które są uznawane za przyjazne do powstania i rozwoju życia? Dowiemy się więcej o warunkach panujących w tych światach, a także posiądziemy większą wiedzę o tym, jak funkcjonuje nasz cały Układ Słoneczny. Takie założenia towarzyszą tej misji, aczkolwiek na wyniki będzie trzeba jeszcze trochę poczekać.

Misja wystartuje w roku 2022 a sama sonda JUICE wyruszy w swoją podróż dzięki Ariane 5 – ciężkiej rakiecie nośnej zaprojektowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną oraz francuski Państwowy Ośrodek Badań Kosmicznych. W locie, który potrwa 7,6 lat, wykorzystana zostanie również pomoc ze strony sił grawitacyjnych Wenus i Ziemi. Przewiduje się, że sonda trafi na orbitę Jowisza w styczniu 2030 roku i w tym systemie spędzi kolejne 3 i pół roku, obserwując nie tylko jego księżyce, ale również atmosferę i magnetosferę planety.

Jowisz i Ganimedes w tle. Credit: NASA, ESA and E. Karkoschka (University of Arizona)

Misja JUICE zajmie się dwoma aspektami programu Europejskiej Agencji Kosmicznej o nazwie “Kosmiczna Wizja”, takimi jak: jakie są warunki formowania się planet oraz powstawania życia, a także w jaki sposób funkcjonuje nasz Układ Słoneczny.

JUICE skupi się na scharakteryzowaniu warunków, które doprowadziły do uformowania się środowisk przyjaznych powstawaniu życia wśród jowiszowych księżyców. Ganimedes został wybrany do najbardziej szczegółowych badań, ponieważ zapewnia formę naturalnego laboratorium do analizowania natury, ewolucji i środowisk przyjaznych rozwojowi życia w lodowych warunkach. Dodatkowo przeprowadzane będą eksperymenty fal radiowych i plazmowych.

Głównymi celami naukowymi związanymi z Ganimedesem (a także, choć w mniejszym stopniu, z Kallisto), są:

  • charakterystyka warstw oceanicznych oraz wykrywanie podpowierzchniowych zbiorników wodnych,
  • topograficzne, geologiczne oraz kompozytowe mapowanie powierzchni,
  • badanie fizycznych właściwości warstw lodu,
  • charakterystyka wewnętrznego rozkładu masy, dynamika oraz ewolucja wnętrza satelitów,
  • badanie egzosfery,
  • badanie wewnętrznego pola magnetycznego Ganimedesa oraz jego interakcji z magnetosferą Jowisza.

W przypadku Europy nacisk będzie kładziony na te zagadnienia chemii, które są powiązane z powstawaniem i utrzymywaniem życia, włączając w to cząsteczki organiczne. JUICE ponadto zapewni pierwsze podpowierzchniowe badanie księżyca oraz określi minimalną grubość pokrywy lodowej nad większością obecnie aktywnych obszarów.

Misja koncentrować się będzie również na określeniu różnorodności procesów zachodzących w systemie Jowisza, których obecność może być konieczna do utrzymania stabilnego środowiska Ganimedesa, Europy oraz Kallisto, zwłaszcza pod kątem geologicznym.

Kallisto. Credit: NASA/JPL/DLR

Badając samego Jowisza, JUICE skupi się na studiowaniu jego struktury, dynamiki oraz składu. Obrót Jowisza wokół słońca, jego meteorologia, skład chemiczny oraz struktura będą celami badań od wierzchołków chmur do termosfery. Obserwacje będą prowadzone przez długi okres czasu, co pozwoli na zbadanie ewoluujących systemów pogodowych jak i mechanizmów transportowania energii oraz materii pomiędzy różnymi warstwami.

Rozmiary poprzeczne magnetosfery Jowisza są mniej więcej dziesięciokrotnie większe od rozmiarów tarczy Słońca. Magnetosfera Jowiszowa jest więc prawdopodobnie największym obiektem w naszym Układzie Słonecznym. Jej unikatową cechą jest, istniejący w otoczeniu płaszczyzny równika magnetycznego, obszar o zmniejszonym natężeniu pola magnetycznego i dużej ilości cząstek naładowanych, które są nośnikami prądów pierścieniowych płynących wokół planety, wewnątrz tego obszaru. Ponieważ Jowisz wiruje dość szybko (doba na Jowiszu trwa niecałe 10 godzin) obszar ten jest spłaszczony i ma nazwę magnetodysku. Badanie magnetosfery zawierać będzie również studiowanie właściwości tego obszaru, gdzie sprzęgają się procesy zachodzące w magnetosferze, jonosferze i termosferze. Wyjaśniane będą również zorze polarne obserwowane na Jowiszu a także ich reakcje na wiatr słoneczny.

Silne prądy w magnetosferze powodują trwałą zorzę polarną wokół biegunów planety i intensywne fale radiowe. Oznacza to, że Jowisz można przyrównać do działania pulsara. Jednakże ze względu na zawirowania w jego magnetosferze, fale radiowe mocno hamują. Przez to porównując Jowisza do standardowych pulsarów, które wysyłają silne impulsy elektromagnetyczne, jest on jego znacznie słabszą wersją. Zorze gazowego olbrzyma zaobserwowano w prawie wszystkich częściach widma elektromagnetycznego, w tym podczerwonym, widzialnym, ultrafioletowym i miękkim promieniowaniu rentgenowskim.

* * *

Przy budowie statku JUICE ze względu na dużą odległość od Słońca, brano pod uwagę konstrukcje, które zapewnią dobre zasilanie słoneczne, zwłaszcza w środowisku ostrego promieniowania Jowisza.

Wejścia na orbitę Jowisza czy Ganimedesa oraz spora ilość przelotów nad różnymi obszarami wymaga, aby statek niósł ze sobą 3000 kg rakietowego materiału pędnego  – substancji chemicznej stosowanej jako paliwo w silnikach rakietowych.

Duża odległość do Ziemi powoduje, że droga sygnału w obie strony trwa 1 godzinę i 46 minut. Wymaga to starannego zaprojektowania statku oraz przygotowania go do autonomicznego wykonywania operacji. Dodatkowo JUICE będzie wyposażony w antenę o wysokim wzmocnieniu, która zapewni dzienny transfer danych na Ziemię rzędu 1.4 GB.

Ze względu na promieniowanie pochodzące z  Jowisza, podczas projektowania satelity należy wziąć pod uwagę potrzebę ekranowania i osłony instrumentów zamontowanych na JUICE. Misja skupia się jednak głównie na Ganimedesie i Kallisto, zatem statek będzie znajdować się poza strefą głównego promieniowania pasów radiacyjnych przez większość czasu.

Artystyczna wizja finalnej wersji JUICE. Credit: ESA/ATG medialab

Misja JUICE będzie zawierać najpotężniejszy system teledetekcji oraz geofizyki, jaki został umieszczony na statku skierowanym w stronę zewnętrznej części Układu Słonecznego.

Ładunek naukowy i elektroniczny składa się z 10 instrumentów oraz jednego eksperymentu, który będzie korzystał z systemu telekomunikacyjnego statku wraz z stacjami naziemnymi . Zawartość JUICE będzie w stanie wykonać wszystkie naukowe założenia misji – od badań atmosfery Jowisza, środowiska plazmy do obserwacji powierzchni i wnętrza docelowych księżyców Europy i Kallisto.

W skład misji wejdą następujące instrumenty:

JANUS (Jovis, Amorumac Natorum Undique Scrutator)

Jest to kamera optyczna przeznaczona do badania globalnej, regionalnej i lokalnej morfologii oraz procesów na księżycach oraz obserwacji chmur na Jowiszu. Kamera wyposażona jest w 13 filtrów barwnych. Posiada pole widzenia 1,3°, a rozdzielczość przestrzenną do 2,4 m na powierzchni Ganimedesa i ok. 10 km na Jowiszu.

MAJIS (Moons and Jupiter Imaging Spectrometer)

To hiperspektralny spektrometr obrazujący w podczerwieni przeznaczony do obserwacji struktury chmur troposferycznych na Jowiszu oraz scharakteryzowania lodów i minerałów na powierzchni księżyców lodowych. Obserwacje mogą być prowadzone w zakresie długości fal 0,4 – 5,7 µm z rozdzielczością spektralną 3 – 7 nm. Rozdzielczość przestrzenna do 25 m na powierzchni Ganimedesa i ok. 100 km na Jowiszu.

UVS (UV imaging Spectrograph)

Jest to kolejny spektrometr, tym razem obrazujący w ultrafiolecie przeznaczony do scharakteryzowania składu i dynamiki egzosfer księżyców lodowych, badania jowiszowych zórz polarnych oraz składu, i struktury górnych warstw atmosfery. Instrument posłuży do wykonywania obserwacji zarówno w nadirze (punkt na sferze niebieskiej położony dokładnie naprzeciwko zenitu), jak i do sondowania podczas okultacji słonecznych i gwiazdowych, czyli zjawisk astronomicznych polegających na widomym przejściu pobliskiego ciała niebieskiego przed innym ciałem niebieskim. W wyniku okultacji ciało znajdujące się dalej od obserwatora staje się na pewien czas niewidoczne dla niego. Prowadzić będzie także obserwacje w zakresie długości fal 55 – 210 nm z rozdzielczością spektralną < 0,6 nm. Rozdzielczość przestrzenna do 0,5 km na powierzchni Ganimedesa i 250 km na Jowiszu.

SWI (Sub-millimeter Wave Instrument)

SWI to ciekawy instrument do obserwacji w zakresie fal submilimetrowych przeznaczony do: badania rozkładu temperatury, składu oraz dynamiki stratosfery i troposfery Jowisza, a także egzosfer i powierzchni księżyców lodowych. Pełni również rolę spektrometru heterodynowego z anteną o średnicy 30 cm, pracujący w dwóch zakresach widmowych (1080 – 1275 GHz i 530 – 601 GHz) ze spektralną zdolnością rozdzielczą ok. 10 do potęgi 7.

GALA (GAnymede Laser Altimeter)

Jest to wysokościomierz laserowy służący do badania deformacji pływowych Ganimedesa oraz morfologii i topografii powierzchni księżyców lodowych.

RIME (Radar for IcyMoons Exploration)

Radar penetrujący lód przeznaczony do badania podpowierzchniowej struktury księżyców lodowych do głębokości 9 km z rozdzielczością pionową do 30 m wewnątrz lodu. Radar pracujący na częstotliwości centralnej 9 MHz (szerokość pasma 1 i 3 MHz) z anteną o rozmiarze 16 m.

J-MAG (A magnetometer for JUICE)

Magnetometr przeznaczony do scharakteryzowania jowiszowego pola magnetycznego, jego interakcji z wewnętrznym polem magnetycznym Ganimedesa oraz do zbadania podpowierzchniowych oceanów na księżycach lodowych. Magnetometry transduktorowe (bliższy i dalszy) umieszczone będą na wysięgniku.

(Particle Environment Package)

Jest to zestaw 6 instrumentów do badania magnetosfery Jowisza oraz interakcji z jego księżycami. Będzie mierzyć dodanie i ujemne jony, elektrony, gaz obojętny, plazmę termiczną oraz wysokoenergetyczne atomy neutralne w zakresie energii 0,001 eV do 1 MeV (jednego megaelektronowolta).

RPWI (Radio & Plasma Wave Investigation)

Dzięki temu instrumentowi zostanie scharakteryzowane środowisko plazmowe oraz zbadana emisja fal radiowych wokół statku.

W skład RPWI wchodzą cztery eksperymenty: GANDALF, MIME, FRODO i JENRAGE. Zestaw czujników, w tym dwie sondy Langmuira, posłuży do pomiarów wektorów pola elektrycznego prądów stałych aż do częstotliwości 1,6 MHz oraz do scharakteryzowania plazmy termicznej. Anteny i odbiorniki średniej i wysokiej częstotliwości posłużą do pomiarów pól elektrycznych i magnetycznych w emisjach radiowych w zakresie częstotliwości 80 kHz – 45 MHz.

3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and GalileanMoons)

Eksperyment radiowy składający się z transpondera w paśmie Ka i ultrastabilnego oscylatora. Przeprowadzi pomiary pola grawitacyjnego Ganimedesa (do 10. stopnia), a także rozmiarów podpowierzchniowych oceanów na księżycach lodowych oraz badania struktury neutralnych atmosfer i jonosfer Jowisza (w zakresie 0,1 – 800 mbar) i jego księżyców.

PRIDE (Planetary Radio Interferometer& Doppler Experiment)

PRIDE będzie dokonywał precyzyjnych pomiarów pozycji i prędkości sondy, dzięki czemu będzie można zbadać pola grawitacyjne Jowisza oraz księżyców lodowych. W jego realizacji zostaną wykorzystane dwa systemy – system telekomunikacyjny sondy JUICE oraz naziemny system obserwatorów VLBI. Będzie to eksperymentalne połączenie takich dwóch systemów.

* * *

Jowisz jest niejako archetypem olbrzymich planet w naszym Układzie Słonecznym, a także innych, licznych planet, które orbitują w innych systemach gwiezdnych. Ponadto światy księżyców Jowisza są bardzo różnorodne, a trzy z tych galileuszowych skrywają w sobie oceany. Mają zatem dla nas duże znaczenie w zrozumieniu potencjalnego rozwoju życia w lodowych warunkach.

Zrozumienie systemu Jowisza oraz poznanie jego historii – od momentu powstania do możliwego pojawienia się środowisk sprzyjających rozwojowi życia – pozwoli nam również na lepsze zrozumienie jak inne gazowe giganty wraz z naturalnymi satelitami ewoluowały i rozwijały swoje światy. Ponadto nowe światło może zostać rzucone na możliwość pojawienia się życia w pozasłonecznych systemach planetarnych.


Droga JUICE w system Jowisza. Credit: ESA

Misja na koniec wykona prawie 9-miesięczną podróż wokół samego Ganimedesa, wchodząc na jego orbitę we wrześniu 2032 roku. Przeprowadzi wówczas szczegółowe badania księżyca oraz jego środowiska orbitując początkowo na wysokości 5000 kilometrów, aby na ostatnie 30 dni misji zejść na wysokość zaledwie 200 kilometrów, po czym misja zakończy się na powierzchni księżyca.

Całkowity czas misji to prawie 11 lat, z czego 3 i pół roku misja spędzi w systemie Jowisza. Europejska Agencja Kosmiczna planuje start misji w 2022 lub 2023 roku, a więc jej końca możemy spodziewać się w czerwcu 2033 lub grudniu 2034 roku.