Misja Juno NASA ujawnia, co kryje się pod pięknymi chmurami Jowisza

Jak na coś, co miało zostać zrobione i złomowane trzy lata temu, statek kosmiczny NASA Juno ma napięty harmonogram eksploracji Jowisza i jego dużych księżyców.

Statek kosmiczny Wszedł na orbitę wokół Jowisza 4 lipca 2016 r.i przetrwał bombardowanie intensywnym promieniowaniem na największych planetach Układu Słonecznego. Obecnie kończy swoją główną misję, ale NASA dała mu czteroletnie przedłużenie i 42 dodatkowe orbity. W zeszłym tygodniu minął Ganimedes, największy księżyc Jowisza.

„Zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy zasadniczo opancerzony czołg”, powiedział Scott J. Bolton z Southwest Research Institute w San Antonio, główny badacz misji. – I udało mu się.

Jowisz to w zasadzie wielka kula składająca się głównie z wodoru, ale okazuje się, że jest to dość skomplikowana kula. Odkrycia misji obejmują pioruny wyższe niż oczekiwano, pierścienie stabilnych burz na biegunach północnym i południowym oraz wiatry, które rozciągają się tak głęboko w głąb lądu, że mogą omijać pola magnetyczne planety.

„Myślę, że to była rewelacja” – powiedział David J. Stevenson, profesor nauk planetarnych w California Institute of Technology i współbadacz misji.

Wysoce eliptyczna ścieżka Juno przebiega pod kątem około 90 stopni do orbit księżyców Jowisza nad północnym i południowym biegunem planety. Na każdej orbicie Juno krąży z maksymalną prędkością 130 000 mil na godzinę, przechodząc w odległości kilku tysięcy mil od chmur Jowisza.

Wczesny problem z systemem napędowym skłonił kierowników misji do rezygnacji z uruchomienia silnika, który skróciłby orbitę do 14 dni z 53 dni. Uczeni misji musieli uzbroić się w cierpliwość, ale to stało się błogosławieństwem.

Zgodnie z pierwotną osią czasu Juno zakończyła swoją pracę na początku 2018 roku. Dzięki bardziej wrażliwym gąsienicom sondy naukowcy będą mogli zobaczyć zmiany w Jowiszu i wokół niego, które mogliby przeoczyć, gdyby misja wkrótce się zakończyła.

Dodatkowe orbity rozszerzonej misji pozwolą na dalsze badania tajemnic odkrytych przez Juno, takich jak pierścienie burz na biegunach północnym i południowym – osiem wokół bieguna północnego i pięć wokół bieguna południowego.

W pewnym momencie wyglądało to tak, jakby szósta burza wdarła się do grupy na biegunie południowym, ale potem została odepchnięta.

– To jak pięciu łobuzów na boisku, prawda? Candice J. powiedziała: Hansen-Koharczyk, naukowiec z Planetary Science Institute w Tucson w Arizonie, odpowiedzialny za obsługę głównej kamery statku kosmicznego, JunoCam. – O nie, nie możesz dołączyć do naszej gry.

Dlaczego sztormy, które trwają od lat i mają około 2500 mil średnicy, wydają się być tak stałe?

Dwie burze mogą z łatwością zmieścić się w regionie polarnym, nie przeszkadzając sobie nawzajem, powiedział Yohai Caspi, profesor nauk o Ziemi i planetologii w Instytucie Nauki Weizmanna w Izraelu i współautor misji. Ale gdybyś miał 100, powiedział, to byłoby zbyt blisko i nie byłoby stabilne. „Jest ta magiczna liczba, która może ją dopasować”.

Wzory atmosferyczne w górnej połowie Jowisza różnią się od tych w dolnej połowie. „Testowaliśmy trochę z inną dynamiką na północy i południu”, powiedział, aby zrozumieć, dlaczego liczba burz na biegunach jest inna.

W nadchodzących latach naukowcy przyjrzą się bliżej ośmiu burzom na Jowiszu. Ogromna grawitacja Jowisza grawituje na orbicie Juno, tak że najbliższe podejścia sondy – co naukowcy nazywają perijoves – nie występują już powyżej równika, ale migrują na północ. Pod koniec rozszerzonej misji obwód orbity będzie miał szerokość geograficzną odpowiadającą szerokości geograficznej Sankt Petersburga w Rosji.

Orbity te zapewnią również dokładniejsze obserwacje zaskakujących wyładowań atmosferycznych.

Wirujące kolorowe smugi Jowisza to tylko wierzchołki chmur i są zrobione z zamrożonych, pokrytych sadzą kryształów amoniaku. Ale wodniste chmury Jowisza – gdzie pojawiły się błyskawice obserwowane przez poprzedni statek kosmiczny – 30 do 40 mil głębiej niż wierzchołki chmur. Błyskawica jest równie prawdopodobna w chmurach wodnych, jak podczas burz na Ziemi, które są napędzane przez zderzenie kropel wody z kryształkami lodu, które wytwarzają ładunek elektryczny.

Ale wcześniej niewykryte słabe błyski, które zauważył Juno, były wyższe w atmosferze, gdzie temperatury, około -125 stopni Fahrenheita, są zbyt niskie, aby woda pozostała płynna.

Kiedy po raz pierwszy zobaczyła błyski, Heidi N zareagowała. Becker, naukowiec z NASA Jet Propulsion Laboratory w Kalifornii, odpowiedzialny za badania nad monitorowaniem promieniowania Juno, powiedział: „Uch, co się dzieje?”

Kluczem do rozwiązania tej zagadki była obecność w atmosferze amoniaku, który działał jak środek przeciw zamarzaniu.

„Jowisz ma niesamowicie gwałtowne burze, które mogą wyrzucać z dołu cząsteczki wody lodowej z prędkością 100, 200 mil na godzinę i osiągać te bardzo duże wysokości” – powiedział dr Baker.

Na górze kryształki wody lodowej mieszają się z oparami amoniaku i rozpuszczają się. Krople wody i amoniaku zderzają się następnie z dodatkowymi kryształkami lodu, które spadają od dołu, tworząc ładunek elektryczny, który generuje błyskawice.

Jak na ironię, amoniak jest również kluczem do wyjaśnienia, dlaczego jest tak mało amoniaku w tych samych przestrzeniach atmosfery, w których występują błyskawice. Naukowcy przewidzieli, że pod lodowymi chmurami amoniaku szalejące wiatry na Jowiszu będą równomiernie mieszały gaz amoniakalny w atmosferze.

„Ale tak się nie dzieje” – powiedział Tristan Gillot, dyrektor ds. badań w Obserwatorium Côte d’Azur we Francji i współbadacz misji. „Mamy obszary tak głębokie, jak 200 kilometrów poniżej, a może więcej, które mają znacznie mniej amoniaku niż inne obszary”.

Wydaje się, że jest to spowodowane deszczem kulek grzybów – lepkich, lepkich grudek wielkości piłek baseballowych.

Naukowcy zdali sobie sprawę, że kropelki wody amoniakalnej nie pozostają jako maleńkie kropelki. Zamiast tego nadal rosną, aż staną się zbyt ciężkie, aby utrzymać się w powietrzu. „Jak grad na ziemi” – powiedział dr Stevenson.

Naukowcy uważają, że kule deszczu przenoszą dużo amoniaku w głębsze rejony atmosfery Jowisza.

Misja pogłębiła zrozumienie Wielkiej Czerwonej Plamy, ponieważ pokazała, że ​​słynna gigantyczna burza, która trwa od wieków, rozciąga się na ponad 200 mil w głąb atmosfery Jowisza i doprowadziła do odkrycia nowego regionu, który naukowcy nazywają ” Wielki błękit”. miejsce.

W rzeczywistości nie jest niebieski. Nazwa jest artefaktem systemu kolorów używanego do oznaczenia pola magnetycznego Jowisza. W rzeczywistości na zdjęciach nie widać wyraźnych śladów Wielkiej Niebieskiej Plamy. Ciemnoniebieski obszar na mapie magnetycznej wskazuje jedynie na zbieżność niewidzialnych linii pola magnetycznego wchodzących w tym momencie do Jowisza – mniej więcej drugi biegun południowy wystający w pobliżu równika.

Kimberly M. Moore, badaczka podoktorancka z California Institute of Technology, porównała pomiary magnetyczne Juno z poprzednimi obserwacjami sondy kosmicznej, aby zobaczyć, jak zmieniały się pola magnetyczne Wielkiej Niebieskiej Plamy na przestrzeni dziesięcioleci.

Środek Wielkiej Niebieskiej Plamy wydaje się być nawiany na zachód przez pojedynczy strumień wiatru, podczas gdy wiatry wschodnie przecinają górną i dolną część plamy w przeciwnym kierunku.

Może to wskazywać, że wiatry Jowisza rozciągają się daleko od szczytów chmur, aż do regionów, w których ciśnienie i temperatura są wystarczająco wysokie, aby zamienić wodór w przewodnik elektryczny. Prądy elektryczne wytwarzają pola magnetyczne.

Siła pól magnetycznych w Wielkiej Niebieskiej Plamie zmienia się nawet o jeden procent rocznie — w niektórych miejscach staje się silniejsza, a w innych słabnie. Do końca przedłużonej misji w 2025 roku dr Moore będzie miała prawie dekadę danych, aby przetestować swoją hipotezę, która przewiduje zmiany do 10 procent w tym czasie. „Tego oczekuje nasz model i chcemy to przetestować” – powiedziała.

Naukowcy prawdopodobnie również natkną się na nowe tajemnice. Wielka Niebieska Plama jest mniej więcej na tej samej szerokości geograficznej co Wielka Czerwona Plama. Czy te dwa zjawiska są połączone, czy oddzielne?

„Fakt, że poruszają się z różnymi prędkościami, sugeruje, że mogą nie być spokrewnieni” – powiedział dr Moore. Ale może istnieć jakiś mechanizm przyczynowy. W końcu to płynna jedna planeta.

Podczas przedłużonej misji Juno przeleci również trzy duże księżyce Jowisza.

W zeszłym tygodniu Juno dała naukowcom pierwsze od ponad 20 lat zbliżenia Ganimedesa, największego księżyca Jowisza. Ganimedes ma ponad 3200 mil szerokości i jest większy i masywniejszy niż planeta Merkury, jedyny księżyc, o którym wiadomo, że generuje własne pole magnetyczne.

Dr Hansen-Koharczyk porówna zdjęcia Ganimedesa Juno ze starymi zdjęciami. Części powierzchni mają rowki, które często pojawiają się na lodowych księżycach. Chociaż pod lodową skorupą księżyca znajduje się ocean płynnej wody, uważa się, że lód ma ponad 60 mil grubości, a kaniony Ganimedesa prawdopodobnie powstały kilka miliardów lat temu, kiedy powierzchnia była cieplejsza i bardziej podatna na zginanie. – powiedział Koharcheck.

„Jest wysoce nieprawdopodobne, aby teren rowków miał teraz kontakt z tym płaszczem wodnym” – powiedziała. „Jednak gdybyśmy go znaleźli, również skakałbym w górę i w dół z krzykiem”.

Pola magnetyczne wokół Ganimedesa mogą opowiedzieć ciekawszą historię. Wewnątrz roztopione żelazo ma nadal płynąć, aby generować bańkę pól magnetycznych zwanych magnetosferami, podobnych do tych, które chronią Ziemię przed naładowanymi cząstkami wiatru ze Słońca.

„Mieliśmy naprawdę doskonałą okazję z tym lotem, aby przejść prosto” – powiedziała Frances Bagnall, profesor astrofizyki i nauk planetarnych na University of Colorado w Boulder i współautorka misji.

Obserwacje pól Ganimedesa i ich przeplatania się z Jowiszem pomogą rzucić światło na to, jak cienka atmosfera naładowanych cząstek uformowała się wokół Księżyca, jak naładowane cząstki generują świecące zorze oraz jak niektóre naładowane cząstki przemieszczają się bezpośrednio między Jowiszem a Ganimedesem. Pomiary w podczerwieni pokażą różnice w stężeniu cząsteczek wody, które są wyrzucane z lodu w wyniku bombardowania cząsteczek.

Juno już nigdy nie minie tak blisko Ganimedesa, ale przeleci obok dwóch innych dużych i bardzo różnych księżyców.

Jeden z tych księżyców, Io, to piekielne królestwo, które jest najbardziej aktywne wulkanicznie w Układzie Słonecznym. Instrument na podczerwień Juno będzie mierzył gorące punkty na Io z większą dokładnością niż poprzedni statek kosmiczny.

„Na powierzchni są pęknięcia i jest wiele rzek lawy, coś w tym rodzaju” – powiedział Alessandro Mora z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Rzymie, który kieruje instrumentem do mapowania w podczerwieni Juno.

Drugi księżyc, który odwiedzisz, Europa, jest pokryty lodem, a pod nim znajduje się głęboki ocean. Europa jest uważana za jedno z najbardziej obiecujących miejsc do poszukiwania życia w innych częściach Układu Słonecznego.

W Europie JunoCam będzie kierowana na linię między nocą a dniem. W ostatnich latach obserwacje przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a wykazały erupcję pary wodnej z oceanu, która penetruje lodową powierzchnię. Istnieje nadzieja, że ​​JunoCam może przypadkowo podnieść słup wody podświetlony przez słońce.

„To naprawdę dobry sposób na szukanie erupcji wulkanicznych” – powiedział dr Hansen Koharczyk. Ta sama technologia ujawniła erupcję wulkanu na Io.

Lodowata skorupa Europy jest cieńsza niż Ganimedesa, więc istnieje duże prawdopodobieństwo, że znajdziesz miękkie miejsce, w którym niedawno pojawiła się zamarznięta woda lub para. „Będziemy szukać osadów powierzchniowych, które mogą wydawać się szczególnie świeże lub jasne” – mówi dr Hansen-Koharczyk.

Być może to wszystko nie byłoby możliwe bez tej usterki płatności. Gdyby statek kosmiczny krążył wokół Jowisza co 14 dni zamiast 53 dni, Juno mogłaby nie być w stanie wykonywać przelotów księżyca.

„Myślę, że to był zbieg okoliczności” – powiedział dr Bolton.