Nurkując w system Jowisza

Czy system Jowisza odkryje przed nami rozwiązania części swoich tajemnic? Królestwo roztaczające się wokół Jowisza zawiera prawie 70 naturalnych satelitów. Niektóre z nich to odrębne światy rządzące się własnymi prawami. Wyróżniają się tutaj głównie Io, Europa, Ganimedes i Kalisto. Stanowią one 99% masy wszystkich obiektów krążących wokół Jowisza. Misja JUICE przede wszystkim skupi się na trzech lodowych galileuszowych księżycach. Io tym razem został pominięty w ramach misji JUICE.

CEL NUMER JEDEN – GANIMEDES

Ganimedes jest pierwszym obiektem na celowniku misji JUICE. Posiada średnicę około 5260 km, co czyni go większym od Plutona czy Merkurego i jednocześnie największym naturalnym satelitą naszego Układu Słonecznego. Okrąża Jowisza w odległości około 1 miliona kilometrów. Naukowcy uważają, że na Ganimedesie zachodzi tarcie pływowe, aczkolwiek w mniejszym stopniu niż na Io czy Europie. Ciepło z niego pochodzące może powodować aktywność tektoniczną, a także dostarczać jednego z istotnych elementów dla pojawienia się życia: źródła energii.

Credit: NASA/JPL

Jedną z najbardziej niezwykłych cech Ganimedesa jest pole dipolowe, czyli pole magentycze wytwarzane przez dipol magnetyczny,  odkryte przez misję Galileo. Żaden inny naturalny satelita naszego Układu Słonecznego się tym nie charakteryzuje, a jedynie dwa inne ciała – Merkury i Ziemia generują magnetyczne pola dipolowe. Miniaturowa magnetosfera Ganimedesa leży wewnątrz znacznie większej magnetosfery Jowisza, przez co zachodzą między nimi złożone interakcje. JUICE szczegółowo zbada niniejsze wzajemne wpływy. Badania będą m.in. polegać na sprawdzeniu, w jaki sposób powstają zorze na tym księżycu, a także jak pole magnetyczne naturalnego satelity wpływa na pojawianie się zórz na jego rodzimej planecie.

Badania pola magnetycznego Ganimedesa, przeprowadzone przez sondę Galileo, sugerują, że może istnieć tam podziemna warstwa słonej wody, która w przeciwieństwie do lodu, jest dobrym przewodnikiem elektryczności. Ostatnie obserwacje zórz na Ganimedesie, z wykorzystaniem Teleskopu Kosmicznego Hubble’a, dodatkowo zasugerowały istnienie oceanu pod lodem. Wnioski takie wynikały to z odnalezienia oznak zalewania powierzchni księżyca. Młodsze części Ganimedesa mogły zostać uformowane przez wodę wypływającą z jego wnętrza, np. poprzez uskoki tektoniczne czy kriowulkany. Naukowcy mają teraz wystarczająco dużo przesłanek, aby uważać, że pod lodową powierzchnią Ganimedesa istnieje więcej wody niż mamy na powierzchni Ziemi.

Naukowcy mają nadzieję, że pomiary pozwolą im również na zdobycie wiedzy na temat składu wnętrza tego księżyca. Przy masie około połowy Merkurego, a jednocześnie średnicy większej niż ta planeta, Ganimedes ma stosunkowo małą gęstość, co wskazuje, że składa się on głównie z lodu i skał. Dodatkowo dane pochodzące z pola magnetycznego (nadesłane przez Galileo) wskazują na obecność ciekłego jądra, bogatego w żelazo. Misja JUICE wyjawi nam więcej informacji na temat grubości warstw wnętrza księżyca, a także jego składu. Pozwoli to nam w lepszy sposób poznać jak ewoluował Ganimedes i w jaki sposób wytworzyła się jego zróżnicowana struktura. Dzięki instrumentom na JUICE będziemy mogli dowiedzieć się, w jaki sposób powstało tutaj pole magnetyczny i w jaki sposób udało się je utrzymać przez ten czas.

Credit: NASA, ESA and E. Karkoschka (University of Arizona)

Kolejny cel misji JUICE to badanie oraz opisywanie pokrywy lodowej Ganimedesa. Będzie to całkiem nowe przedsięwzięcie naukowe. Misja użyje specjalnego radaru do penetracji lodu, który pozwoli “zajrzeć” pod powierzchnię na 9 kilometrów w głąb. Celem jest ustalenie minimalnej grubości lodowej skorupy oraz odkrycie wody w stanie płynnym pod powierzchnią, a także zbadanie tektonicznych cech księżyca oraz jego geologicznej ewolucji.

Oprócz badań podpowierzchniowych, misja również zajmie się samą górną warstwą lodowej powłoki. Powierzchnia Ganimedesa jest bardzo stara oraz gęsto pokryta kraterami (podobnie jak Kalisto), ale też posiada obszary zbliżone do takich, jakie znajdziemy na Europie – czyli jasne, młodsze i pofałdowane. Naukowcy uważają, że skomplikowany wzór rowów oraz grzbietów to wynik dużej aktywności tektonicznej. Dodatkowo z pewnością kriowulkanizm (erupcja cieczy lub pary – z możliwym dodatkiem substancji stałych – złożonej z wody lub innych substancji, które są zamrożone w temperaturze panującej normalnie na powierzchni lodowego ciała niebieskiego) odegrał swoją rolę w uformowaniu powierzchni Ganimedesa. JUICE wykona wiele materiałów wysokiej rozdzielczości, które pomogą w lepszy sposób zrozumieć lokalną geologię księżyca. Ponadto połączenie danych z obrazowania oraz laserowych pomiarów wysokości dadzą nam więcej informacji na temat procesów, które przez lata kształtowały powierzchnię Ganimedesa.

Wysokiej jakości obserwacje pozwolą nie tylko dokładnie odwzorować powierzchnią, ale również określić skład księżyca, w tym jego mineralogię. Uzyskane w ten sposób dane będą służyć do ustalenia, czy Ganimedes kryje w sobie interesujące biosygnały. W tym celu zostaną przeprowadzone obserwacje różnej długości fal. Astronomowie będą mogli badać materiał niezwiązany z wodą i lodem, aby móc określić rozmieszczenie biologiczne niezbędnych pierwiastków na Ganimedesie, takich jak węgiel lub tlen, a także innych, jak magnez czy żelazo. Misja pozwoli również rzucić więcej światła na pochodzenie i ewolucję materiału, z którego składa się powierzchnia księżyca, a jednocześnie odróżnić materiał, który został dostarczony przez plazmowe środowisko wokół Ganimedesa.

JUICE badając Ganimedesa stanie się pierwszym statkiem kosmicznym, który będzie krążył wokół naturalnego satelity w zewnętrznej części naszego Układu Słonecznego. Trasa orbitalna będzie trwała około 8 miesięcy i będzie stanowić finalny etap misji.

CEL NUMER 2 – EUROPA

Europa jest wielkościowo zbliżona do naszego, ziemskiego Księżyca i jest najmniejszym satelitą wśród odkrytych przez Galileusza. Jak jej bracia i siostry odkryte przez wielkiego astronoma, Europa jest również zablokowana, czyli zawsze ukazuje Jowiszowi tylko jedną część swojego oblicza podczas trwającego 3.5 dnia spaceru wokół planety. Ze względu na eliptyczną orbitę Jowisz przyciąga księżyc z różną siłą. Ma to wpływ na tworzenie fal, które “wyginają” i “rozluźniają” powierzchnię Europy. Powstające w ten sposób ciepło dostarcza energię skorupie księżyca i prawdopodobnie również jego wewnętrznym warstwom.

Credit: NASA/JPL-Caltech/DLR

Ze wszystkich księżyców skupionych wokół Jowisza, uważa się, że to właśnie Europa jest najbardziej przyjazna do powstania życia. Podobnie jak w przypadku jej dużego brata – Ganimedesa – misja Galileo dostarczyła mocnych dowodów na obecność oceanu pod powierzchnią Europy. Uważa się, że płynna warstwa pod powierzchnią zawiera dwukrotnie więcej wody niż oceany na Ziemi, aczkolwiek głębokość, skład oraz interakcje z głębszymi warstwami, a także samą pokrywą lodową wciąż pozostają nieznane.

Niedawno Teleskop Kosmiczny Hubble’a zaobserwował coś co może być smugami pary wodnej wynurzającymi się z warstwy lodowej i wynoszącymi się na 160 kilometrów ponad powierzchnię. Takie gejzery mogą pozwolić JUICE na pobranie próbki wody z podziemnego oceanu Europy i jednocześnie w poszukiwaniu oznak życia bez potrzeby wiercenia w lodowej pokrywie. Pióropusze pary wodnej powodują powstawanie kolejnych pytań, na przykład: jakie procesy geologiczne zachodzą na księżycu, aby mogły powstać takie gejzery? Jakie czynniki o tym decydują? Jak bardzo są silne? Występują stale czy okresowo? Naukowcy mają nadzieję znaleźć odpowiedzi nie tylko na geologiczne pytania, a także dowiedzieć się więcej na temat składu chemicznego obiektów zaobserwowanych przez teleskop Hubble’a.

Powierzchnia Europy należy do jednej z najbardziej gładkich i płaskich, jakie możemy znaleźć w naszym układzie planetarnym. Stanowi to również zagadkę dla naukowców. Księżyc oczywiście charakteryzuje się rysami, smugami, pęknięciami, ale ma niewielu kraterów. Prowadziło to do powstawania tezy, że księżyc jest stosunkowo młody oraz tektonicznie aktywny. Tutaj ponownie należy wspomnieć misję Galileo, dzięki której potwierdzono, że Europa posiada w sobie cały system tektoniczny. Niektóre z obserwacji sugerują, że na powierzchni możemy znaleźć grzbiety śródoceaniczne, czyli silnie wydłużone, wypukłe formy dna oceanicznego, o stromych stokach, położone zazwyczaj pośrodku oceanów i oddzielające od siebie dwa baseny oceaniczne. Na Ziemi grzbiety śródoceaniczne są to największe struktury linijne, które możemy zaobserwować na powierzchni. Na Europie są to miejsca, gdzie może tworzyć się nowy materiał powierzchniowy. Inne pęknięcia mogą świadczyć o zachodzeniu subdukcji czyli procesu polegającego na wciąganiu lub wpychaniu jednej płyty litosferycznej pod drugą (oceaniczną lub kontynentalną). Naukowcy spostrzegli również dowody na istnienie kriowulkanów, jednakże na ich temat wciąż mamy niewiele wiedzy.

Wizja artystyczna erupcji pary wodnej na Europie. Credit: NASA, ESA, and M. Kornmesser. Science Credit: NASA, ESA, L. Roth (SouthwestResearchInstitute and University of Cologne, Germany), J. Saur (University of Cologne, Germany), K. Retherford (SouthwestResearchInstitute), D. Strobel and P. Feldman (Johns Hopkins University), M. McGrath (Marshall Space Flight Center), and F. Nimmo (University of California, Santa Cruz)

Te aktywne strefy – które stanowią sposób wymiany materiału pomiędzy powierzchnią księżyca a jego oceanem – znajdą się w centrum zainteresowania misji JUICE podczas badania Europy. Tajemnicą wciąż jest, w jaki sposób powstają wszystkie rysy i pęknięcia, które stanowią charakterystyczny widok tego satelity pełnego jasnych równin i ciemnych, rozmazanych obszarów. Misja zbada procesy geologiczne odpowiedzialne za tworzenie wyróżniających się form i kształtów na Europie, a także określi, w jakim stopniu mogą te procesy wpływać na wymianę materiału pomiędzy powierzchnią, a płynnymi zbiornikami pod powierzchnią.

Różne instrumenty JUICE również wycelują w Europę, aby zbadać te aktywne regiony pod kątem obecności pierwiastków, z których mogłoby powstać i rozwijać się życie. Dowiemy się również więcej o przeszłości tego księżyca. Szczegółowe badania pozwolą określić chemiczny skład Europy, a także w jaki sposób określone pierwiastki wydostają się na powierzchnię. Naukowcy będą szukali odpowiedzi na pytanie, jakie substancje powstają pod powierzchnią i są wypychane w górę poprzez ruchy tektoniczne lub kriowulkanizm, a także które cząsteczki docierają na Europę z innych księżyców poprzez magnetosferę Jowisza.

Misja oczywiście zbada pokrywę lodową oraz jej wpływ na ocean znajdujący się pod nią. Tutaj również znajdzie zastosowanie radar penetrujący lód, dzięki któremu dowiemy się, czy woda w stanie ciekłym znajduje się już na pierwszych kilometrach w głąb księżyca. W zależności od grubości lodu radar będzie w stanie zbadać również warstwę przylegającą pomiędzy lodową pokrywą, a podpowierzchniowym oceanem.

Linearna struktura lodowej powierzchni Europy. Credit: NASA/JPL-Caltech/ SETI Institute

JUICE nad tym księżycem przeleci dwukrotnie na średnich szerokościach geograficznych, a najbliższe podejście statku będzie na wysokości 400 kilometrów nad powierzchnią Europy.

CEL TRZECI – KALISTO

Aby lepiej poznać i móc porównać lodowe światy księżyców Jowisza, misja JUICE zbada również drugiego co do wielkości satelitę – Kalisto. Podobnie jak Ganimedes, rozmiarami jest podobny do Merkurego, jednakże stanowi tylko 1/3 jego masy, co czyni go najmniej gęstym ze wszystkich galileuszowych księżyców. Naukowcy uważają, że tutaj również mamy do czynienia z dużym oceanem pod powierzchnią, jednakże dowodów na to mamy znacznie mniej niż w przypadku Ganimedesa oraz Europy.

Kalisto bardzo różni się od swoich lodowych towarzyszy. Jest to księżyc najbardziej oddalony od Jowisza i ze względu na to orbituje poza zasięgiem promieniowania rodzimej planety. Umiejscowiony 1 milion 880 tysięcy kilometrów od Jowisza jest trochę wyizolowany od innych galileuszowych satelitów, stąd m.in. ciepło pochodzące z sił pływowych jest tutaj znikome. Rezultatem jest bardziej stabilne wnętrze w porównaniu z pozostałymi księżycami znajdującymi się bliżej Jowisza.

Credit: NASA/JPL/DLR

Kalisto charakteryzuje się starym, mocno zarysowanym krajobrazem i pokryty jest licznymi kraterami, a ogólne ukształtowanie terenu sugeruje intensywną erozję. Powierzchnia tego księżyca jest najstarszą i najbardziej doświadczoną przez kolizję powłoką wśród naturalnych satelitów w całym Układzie Słonecznym Brak kształtowania się nowej powierzchni czy innych znaków geologicznej aktywności sugeruje, że jest to martwy świat – pozostałości wczesnego systemu Jowisza. Jednocześnie badanie go stanowi dla naukowców unikalny wgląd we wczesne fazy formowania się galileuszowych księżyców.

JUICE szczegółowo zbada pokrytą kraterami powierzchnię Kalisto, aby dowiedzieć się więcej o historii tego miejsca. Obserwacje pozwolą na lepsze określenie wieku powierzchni księżyca. W ramach misji zbadana zostanie erozja powierzchni oraz pył pochodzący od asteroid w miejscach zderzeń. Naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się więcej na temat, jaki wpływ właśnie te zderzenia miały na uformowanie powierzchni Kalisto oraz jaką rolę w ewolucji księżyca odgrywały procesy geologiczne i tektoniczne.

Misja zbada również skład chemiczny materiału skalistego oraz lodowego znajdującego się na powierzchni Kalisto. Celem jest zidentyfikowanie organicznych i nieorganicznych składników, które budują powierzchnię księżyca, a także w jaki sposób mają one wpływ na procesy geologiczne. Naukowcy będą również badać proces nazywany “kosmicznym wietrzeniem”, czyli nieustające zdarzenie, kiedy powierzchnia planetoidy czy dowolnego innego ciała niebieskiego wystawiona jest na nieprzyjazne warunki kosmosu, choćby promieniowanie kosmiczne czy wiatr słoneczny. W tym wypadku będą starali się zrozumieć, w jaki sposób wysokoenergetyczne cząsteczki z przestrzeni wokół Jowisza wpływają na skład i ukształtowanie powierzchni Kalisto.

Credit: NASA/JPL/ASU

Celem JUICE jest również zbadanie wnętrza księżyca. Uważa się, że Kalisto kryje w sobie zróżnicowane warstwy – mały, skalisty rdzeń otoczony płaszczem złożonym głównie z lodu. Ponadto sonda kosmiczna Galileo znalazła dowody wskazujące na istnienie podpowierzchniowego oceanu. Stało się to dzięki odkryciu pola magnetycznego na Kalisto, charakterystycznego dla pokładów ciekłej, słonej wody pod powierzchnią.

Poprzez badania pola grawitacyjnego księżyca oraz jego kształtu, instrumenty na JUICE będą w stanie w lepszy sposób poznać wewnętrzne struktury księżyca oraz stopień jego zróżnicowania. Jeśli ocean faktycznie istnieje pod powierzchnią, to instrumenty JUICE będą mogły również poznać jego właściwości.

Zaobserwowanie indukowanego pola magnetycznego dokonane przez sondę Galileo może być częściowo wyjaśnione poprzez fakt, że jonosfera jest w stanie przewodzić napięcie elektryczne. Jednym z kluczowych zadań JUICE wobec Kalisto jest zbadanie roli jonosfery w tworzeniu odkrytego pola, a także odseparowanie w wynikach jej wpływu na wewnętrzne warstwy księżyca. Sukces w tym zadaniu pozwoli na lepsze zbadanie właściwości oceanu znajdującego się pod powierzchnią.

JUICE także zainteresuje się bardziej cienką atmosferą Kalisto, która składa się głównie z dwutlenku węgla. Ponieważ jest on bardzo rozrzedzony, atmosfera ta rozmywa się w przestrzeni kosmicznej w przeciągu kilku dni. Istnieje zatem proces na Kalisto, który stale uzupełnia dwutlenek węgla. Możliwe, że lód na powierzchni tego księżyca ulega powolnej sublimacji. Misja JUICE pomoże rozwiązać tę zagadkę.

Sonda przeleci nad Kalisto aż 12 razy na wysokości pomiędzy 400 a 200 kilometrów.

Więcej na temat misji JUICE możecie dowiedzieć się z artykułu “Misja JUICE czyli łyk soku wiedzy o księżycach Jowisza” znajdującej się na naszej stronie ESERO.