Budoucnost výzkumu sluneční soustavy kosmickými sondami VII - Juno

Obr. 1: Dráha sondy Juno ve sluneční soustavě. . Kresba UoW. [10]

Obr. 2: Sonda Juno. Kresba UoW. [11]

Ta byla již dříve cílem automatických meziplanetárních sond. První z nich byl Pionner 10 [1], který startoval 3. března 1972 a stal se prvním lidmi vyrobeným tělesem, které zkoumalo Jupiter a po ní 6. dubna 1974 následovalo dvojče Pioneer 11 [2], který navíc po průletu kolem Jupitera studoval ještě planetu Saturn. Dalšími automaty byly Voyager 1 (start 5. září 1977) a Voyager 2 (start 20. srpna 1977) [3,4]. Voyager 1 prolétl kolem Jupitera a Saturna, Voyager 2kromě těchto dvou planet také kolem Uranu a Neptunu. V současné době jsou všechny čtyři sondy na hranicích sluneční soustavy, Voyagery stále poskytují vědecká data a směřují do mezihvězdného prostoru. První sondou určenou speciálně pro výzkum Jupitera byla Galileo, která byla vypuštěna z raketoplánu při misi STS-34 18. října 1989 [5,6]. Další velkou misí, jejímž hlavním cílem byl výzkum Saturna a jeho měsíce Titan, a která při cestě rovněž navštívila Jupiter, byla sonda Cassini [7]. Zatím poslední sondou zkoumající Jupiter byla New Horizons, vypuštěná 9. ledna 2006 (vědecké výsledky z průletu [8]), která zde provedla gravitační manévr a směřuje k systému Pluto-Charon a dál do Edgeworth-Kuiperova pásu.

Před několika lety měla NASA v plánu velmi ambiciózní a inovativní projekt jménem JIMO (Jupiter Icy Moon Orbiter), v jehož rámci měla být k Jupiteru vyslána sonda, která by místo obvyklých radioizotopových termoelektrických generátorů (RTG) měla mít jako zdroj energie jaderný reaktor [9]. Z projektu sešlo, nicméně Jupiter a jeho systém měsíců je natolik zajímavý, že byla navržena náhradní mise.

Sonda Juno byla vybrána k realizaci v roce 2005 a je druhou misí programu New Frontiers (první je právě New Horizons), což je program středně nákladných misí, které staví na zkušenostech programů Discovery (např. sondy MESSENGER a Dawn) a Explorer Programs.

Sondu postaví konsorcium Lockheed-Martin a při její konstrukci využije zkušeností z minulých misí – např. podobně jako Pioneery bude stabilizovaná rotací s frekvencí 2-5 otáček za minutu. Na rozdíl od všech minulých sond mířících do vnějších oblastí sluneční soustavy nebude napájena elektrickou energií z RTG, ale ponese tři panely slunečních článků. Toto řešení je neobvyklé, protože množství slunečního záření je ve vnějších oblastech cca. 27x nižší než v oblastech vnitřních a panely tak budou mít rozměry 2 x 9m, tedy celkovou plochu 54 m2 a budou vystaveny slunečnímu záření po celou dobu mise s výjimkou asi 10 minut během gravitačního manévru u Země (viz. dále). Každý panel sestává ze čtyř segmentů, které jsou při startu složeny tak, aby se vlezly pod aerodynamický kryt rakety, přičemž jeden z panelů má na konci umístěn magnetometr o délce dvou metrů (žlutý „nástavec“ na obrázku 1). Pod šestibokým tělem sondy bude umístěna vysokozisková anténa pro komunikaci se Zemí [10]. Celkově tak konce panelů vyznačují kružnici o průměru 20 metrů, čímž se Juno zařadí mezi největší kosmické sondy. Na obrázku 1 je pro představu také přikreslen člověk.

Startovací okno je otevřeno od 11. do 31. srpna 2011, v závislosti na datu startu dojde mezi 1. červencem a 10. říjnem 2012 ke korekčnímu manévru DSM (Deep Space Maneuver), který navede sondu k Zemi, kde bude mezi 17. a 18. říjnem proveden gravitační manévr a Juno již poté bude směřovat k Jupiteru, kam dorazí 10. října 2016 (obrázek 2). Poté dojde k navedení na velmi výstřednou eliptickou polární oběžnou dráhu (manévr zvaný JOI – Jupiter orbit insertion) s nízkým perijovem (nejnižší bod dráhy) ve výšce 1,06 Jupiterova průměru a apojovem (nejvyšší bod dráhy) 36 průměrů Jupitera s oběžnou dobou přibližně 11 dnů. Během celé mise, která bude trvat do roku 2017 uskuteční 32 oběhů. Takováto dráha je nezbytná pro plánované vědecké experimenty, navíc umožní vyhnout se mohutným radiačním pásům [11].

Vznik, vývoj sluneční soustavy a formování planet je stále ne zcela objasněným astronomickým problémem. V minulosti bylo navrženo množství teorií popisujících výše uvedené problémy, nicméně mnoho z nich bylo zavrženo nebo upraveno zároveň s tím, jak jsme získávali nové poznatky, a to jak pozemními pozorováními tak i pomocí kosmických sond. Nemálo v tomto směru pomohlo studium Jupitera, které zodpovědělo mnoho otázek týkajících se vzniku sluneční soustavy, mnoho však zůstalo zahaleno. A proto je zde Juno.

Vědecké vybavení sondy bude sloužit k výzkumu Jupitera v těchto čtyřech oblastech:

• původ – určit poměr kyslíku k vodíku ke zjištění množství vody, zlepšit odhad hmotnosti jádra, což by mohlo napomoci k rozhodnutí mezi teoriemi vzniku plynných obrů
• nitro – přesné mapování magnetického a gravitačního pole k určení distribuce hmoty uvnitř planety
• atmosféra – mapování rozdílů ve složení, teplotním poli, opacity oblačnosti a její dynamiky do hloubky kde tlak přesahuje 100 bar, a to ve všech šířkách
• magnetosféra – charakterizovat trojrozměrnou strukturu magnetosféry v polárních oblastech a výzkum polárních září [12].

Pro studium atmosféry budou na palubě dva přístroje: Microwave Radiometer (MWR) a Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM). MWR bude teprve druhý mikrovlnný nástroj pro studium planet od podobného zařízení na sondě Mariner 2, která zkoumala Venuši v roce 1962. MWR bude sondovat hluboké oblasti atmosféry na vlnových délkách 1,3 až 50 cm. Měl by dát odpovědi na dvě zásadní otázky: Jak Jupiter vznikl? a jak hluboko zasahuje atmosférická cirkulace, která byla zjištěna sestupným modulem sondy Galileo v hloubkách, kde je tlak 20 bar? JIRAM bude druhým snímkovacím spektrometrem určeným pro výzkum Jupitera (první podobné zařízení bylo na Galileu). Hlavním cílem bude zkoumání horních vrstev atmosféry do hloubky, kde je tlak 5 – 7 bar v infračervené oblasti (2 – 5 μm), konkrétně půjde o studium chemického složení a dynamiky v oblastech s výskytem polárních září a souvislosti jejích výskytů s magnetickým polem.

MFI (Magnetic Field Investigation) bude pomocí tří senzorů Flux Gate Magnetometr, Scalar Helium Magnetometr a Advanced Stellar Compas (ASC) zkoumat 3D strukturu magnetosféry v polárních oblastech.

Pro studium magnetického pole v polárních oblastech je určena čtveřice přístrojů pod souhrnným označením Polar Magnetosphere Suite (PMS). Jednotlivými součástmi jsou: Jovian Aurora Distribution Experiment (JADE) bude mít za úkol analyzovat strukturu plazmy v polárních zářích, Energetic Particle Detector (JEDI) bude měřit distribuci vodíku, kyslíku, hélia, síry a iontů v polární magnetosféře, WAVES bude identifikovat oblasti zodpovědné za rádiové emise a urychlování aurorálních částic, UV spectrograph (UVS) bude pořizovat UV spektra polárních září.

Pomocí Gravity Science Experiment (GSE) bude přesně změřeno gravitační pole, z čehož bude odvozena vnitřní struktrura planety.

JunoCam bude kamera, která poprvé poskytne barevné snímky polárních oblastí Jupitera. Detailní popisy experimentů jsou mimo rozsah článku, pro zájemce viz. [13].

Doufejme tedy, že nedojde k nějakým nepředpokládaným událostem nebo zrušení projektu a za 10 let se budeme těšit z nových poznatků o největší planetě sluneční soustavy.