JUICE – европейская миссия к Юпитеру и его лунам

Юпитер и его окружение представляют собой сложную систему, которую иногда называют Солнечной системой в миниатюре – она включает в себя собственно гигантскую планету, окружающие ее плазменные пояса быстро движущихся заряженных частиц и обращающиеся внутри них спутники. Особенно нас интересуют три внутренних галилеевых спутника: Ио, Европа и Ганимед. Все они активно взаимодействуют между собой, что само по себе весьма интересно. Основные задачи миссии JUICE можно свести к двум: исследование возможных рисков для жизни, потенциально существующей на спутниках газовых гигантов, и системы Юпитера как архетипа подобных систем на орбитах вокруг других звезд.

В качестве пригодных для жизни рассматриваются три луны: Европа, Ганимед и наиболее далекий от планеты крупный спутник Каллисто. Первые два почти наверняка содержат в глубинах жидкую воду, и нас интересует ее взаимодействие с юпитерианским магнитным полем (на расстоянии Каллисто оно уже достаточно слабое), а именно – почему оба спутника взаимодействуют с ним по-разному. Наличие воды сильно повышает вероятность возникновения живых организмов, но мы собираемся изучать ее не изолированно, а как часть всего комплекса, включающего в себя Юпитер, его атмосферу, магнитосферу и малые внешние спутники. Как видите, это будет очень захватывающая миссия.

Обычно проходит порядка 20-30 лет от появления идеи до старта космического аппарата. В данном случае концепция миссии была предложена ESA в 2007 г., спустя пять лет она прошла стадию отбора, еще год ушел на формирование списка полезной нагрузки, в середине 2015 г. были выбраны основные предприятия-контракторы, на которые возложили создание собственно аппарата, и решены вопросы финансирования. Запуск будет осуществлен в июне 2022 г. с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью новой ракеты Ariane 6, и в октябре 2029 г. после долгого перелета зонд выйдет на орбиту вокруг Юпитера. Проработав на ней почти три года, он перейдет на орбиту вокруг одного из спутников планеты – здесь в качестве приоритетной цели выбран Ганимед. В его окрестностях JUICE пробудет еще год до полного завершения миссии в сентябре 2033 г.

Космический аппарат размером со шкаф (и почти такой же формы) будет иметь стартовую массу 5264 кг, из которых 2857 кг придется на топливо для двигательной установки, и солнечные батареи площадью 97 м², на расстоянии Юпитера генерирующие около 850 Вт электроэнергии. На борту зонда установят 10 научных инструментов общей массой 219 кг, в том числе камеру, спектрометры видимого, ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов UVS и MAJIS, лазерный альтиметр для точного измерения неровностей рельефа и вариаций формы юпитерианских лун под действием приливных сил, а также оборудование для экспериментов радиопросвечивания и анализа конфигурации гравитационных полей по доплеровскому сдвигу частоты передатчика. Наконец, в инструментарии аппарата предусмотрены магнитометр и анализатор плазмы. Дополнительно мы хотим использовать сеть из большого количества радиоантенн на Земле (в режиме интерферометра со сверхдлинной базой VLBI), чтобы максимально точно определять положение JUICE в пространстве. Две антенны на самом зонде рассчитаны на передачу 1,4 Гб данных в сутки.

Длинный штырь, выступающий с обеих сторон одного из ребер космического аппарата – радар сантиметрового диапазона. Штанга магнитометра выдвигается с противоположной стороны; дополнительно со всех сторон корпуса установлены детекторы электрического поля и плазменного окружения гигантской планеты.

Итак, аппарат стартует в июне 2022 г., но мы не можем отправить его прямо к Юпитеру из-за большой массы, требующей очень мощной ракеты. Поэтому по пути к цели он осуществит пять гравитационных маневров вблизи Земли, Венеры и Марса. В результате последнего маневра в поле земного тяготения зонд разгонится до нужной скорости, чтобы после семи с половиной лет межпланетных странствий достичь юпитерианской орбиты. Возможно, если это не потребует большого расхода топлива, по пути к главной цели удастся сблизиться с одним из астероидов Главного пояса и провести его исследования.

За полгода до выхода на орбиту вокруг Юпитера группа сопровождения включит инструменты зонда и начнет выполнение научной программы. В планах миссии – около 50 витков вокруг гигантской планеты. Первые из них пройдут по вытянутым эллиптическим траекториям, последующие будут все больше приближаться к круговым, но все они должны иметь достаточно большую величину перицентра, чтобы избежать слишком глубокого погружения в плотные области юпитерианских радиационных поясов, опасных для бортовой электроники. В ходе примерно половины витков запланированы пролеты галилеевых спутников: аппарат дважды встретится с Европой, более 10 раз — с Ганимедом и примерно столько же раз – с Каллисто. Основная часть витков пройдет вблизи плоскости экватора Юпитера, поскольку в ней лежат орбиты всех его крупных лун, но чтобы исследовать планету и ее магнитосферу детальнее, желательно подняться в область более высоких широт. JUICE не сможет выйти на полярную орбиту, как JUNO; тем не менее, он использует
гравитационное поле Каллисто во время пролетов, чтобы значительно отклониться от экваториальной плоскости.

Два года спустя зонд начнет все ближе и ближе подлетать к Ганимеду – самому крупному спутнику планеты Солнечной системы – и выйдет на орбиту вокруг него. Вначале эта орбита будет эллиптической с перицентром 200-300 км и апоцентром порядка 10 тыс. км, позже – почти круговой высотой 5 тыс. км, потом аппарат некоторое время проработает на новой переходной эллиптической орбите, а с нее уже окончательно перейдет на круговую 500-километровую орбиту, на которой выполнит основную часть исследований и экспериментов. Однако эти планы подлежат корректировке в зависимости от того, сколько останется топлива для бортовых двигателей, и от мощности предполагаемых радиационных поясов Ганимеда.

Самый интересный объект исследований на ледяных лунах Юпитера – подповерхностный океан. Мы пока не имеем оборудования, чтобы его изучать или хотя бы зарегистрировать непосредственно (это будет задачей следующих миссий), поэтому приходится изобретать косвенные методы его обнаружения и характеризации, для чего JUICE оснащен специальными инструментами. Первый из них — магнитометр J-MAG. Если бы океаны состояли из чистой, дистиллированной воды, этот прибор бы ничего не заметил, но в реальности они содержат растворенные соли, что делает их электропроводными. При движении спутника во внешнем (юпитерианском) магнитном поле в таком соленом океане генерируются электрические токи, порождающие, в свою очередь, вторичное магнитное поле, которое уже можно измерить магнитометром. Его данные дадут возможность оценить величину электропроводности и толщину слоя воды.

Второй метод исследований, не менее любопытный, связан с приливами. Благодаря гравитационному взаимодействию спутников с Юпитером и между собой их ледяные поверхности постоянно деформируются приливными силами, причем величина и характер деформаций связаны с наличием или отсутствием глубинных океанов. Эти параметры будет с большой точностью измерять лазерный альтиметр. На компьютерной симуляции отклонений поверхности Ганимеда от среднего уровня под действием приливов хорошо видно, что в районе экватора они могут достигать 8 м. Этого достаточно, чтобы вызвать искажения гравитационного поля луны, влияющие на траекторию зонда во время пролета, что может быть обнаружено с помощью наземных приемников при детальном анализе изменений частоты радиосигнала за счет доплеровского сдвига.

Как и большинство лун в Солнечной системе, галилеевы спутники находятся в приливном захвате – они постоянно повернуты к Юпитеру одной стороной. Однако гравитационное воздействие «соседей» вынуждает их немного «покачиваться» относительно среднего положения. Такие явления называются либрациями и наблюдаются, в частности, у нашей Луны (правда, немного по другой причине). Если Европа и Ганимед имеют твердую кору, не связанную жестко с жидкими недрами, величина их либраций должна быть больше, чем если бы они были сплошными ледяными сферами. Также много информации о «внутренностях» небесных тел может предоставить их сплюснутость со стороны полюсов. Ее можно оценить по результатам лазерной альтиметрии и радиочастотных экспериментов.

Все эти три метода позволят нам с неплохой точностью определить толщину твердой коры, глубину скрывающегося под ней океана, и вообще получить представление о внутренней структуре ледяных лун вплоть до размеров железного ядра.

Но есть еще одно интересное связующее звено между физикой плазмы и океанами спутников Юпитера. Околоземные космические телескопы зарегистрировали над определенными регионами Ганимеда полярные сияния (авроральные кольца). Их положение, а точнее, его изменения со временем, как показывают компьютерные модели, напрямую зависят от состояния недр этой луны: если они полностью твердые – сияния должны «плясать» по широте в пределах 6°, а если имеют значительную жидкую электропроводящую прослойку — авроральные кольца будут занимать строго определенную позицию, не отклоняясь от нее более чем на 2°. К сожалению, с Земли провести подобные наблюдения пока невозможно, но для JUICE они не будут представлять сложностей. Наконец, иногда подледные океаны можно обнаружить и напрямую. Космический аппарат будет оборудован масс-спектрометром для анализа частиц в его космическом окружении и, в частности, в экзосферах (разреженных нестабильных газовых оболочках) галилеевых спутников во время пролетов. Если в интервале между пролетами на спутнике произойдет извержение криовулкана, подпитываемое глубинным океаном, или хотя бы небольшой выброс вещества, аналогичный гейзерам сатурнианского спутника Энцелада, состав экзосферы и концентрация в ней летучих соединений заметно изменятся. Сильнее всего изменения будут выражены над местом выброса, но на самом деле они затронут практически все окрестности ледяной луны.

Как видите, у нас уже есть хороший план комплексных исследований глубинных океанов спутников Юпитера, и сейчас в нашем распоряжении имеются достаточно продвинутые технологии, чтобы построить самые совершенные инструменты и наилучший аппарат, ориентируясь на дату запуска в 2022 г. Как один из проектантов миссии, могу заверить, что на данный момент все идет согласно графику и без существенных проблем. Спасибо за внимание!