Миссия Juno вокруг Юпитера - 5 лет спустя

Юнона (Juno), флагманская миссия НАСА к Юпитеру, отмечает сегодня пять лет у самой большой планеты Солнечной системы, пробыв в космосе почти 10 лет с момента своего запуска. Юнона быстро стала одной из самых важных с научной точки зрения миссий НАСА, с ее Ультрафиолетовым спектрографом и передовыми инструментами, используемыми для выявления многих уникальных научных явлений на Юпитере и во всей Солнечной системе.

Недавно две группы ученых опубликовали исследования, раскрывающие тайну зодиакального света Солнечной системы и происхождение утренних полярных сияний Юпитера с помощью приборов Юноны.

Миссия Юноны изменилась

В то время как научная деятельность Юнона дала огромное представление о Юпитере и его семействе лун, ее путешествие по системе Юпитера не совсем оправдало надежды НАСА. Корабль был запущен 5 августа 2011 года на ракете United Launch Alliance Atlas V 551 с того, что тогда было военно-воздушной станцией на мысе Канаверал, штат Флорида.

Миссия совершила единственного гравитационного маневра у Земли 9 октября 2013 года, когда аппарат приблизился до 559 км от уровня моря Земли.

После этого единственный двигатель Юноны включился для маневра торможения на 2102 секунды, снизив скорость корабля на 542 м/с, чтобы достичь высокоэллиптической полярной орбиты вокруг планеты. Эта начальная орбита вывела аппарат на расстояние 4200 км в перигее (точка ближайшего сближения на орбите Юпитера) и на расстояние 8,1 миллиона км в апогее.

Во втором перигее в октябре 2016 года, почти через 107 дней после прибытия, Юнона должна была снова запустить свой двигатель, чтобы уменьшить свою орбиту с периодом всего в 14 дней - своей запланированной научной орбиты. Однако буквально за несколько дней до запланированных маневра ученые получили с корабля данные, свидетельствующие о том, что гелиевые клапаны в двигательной установке не открываются, как предполагалось.

НАСА решило не рисковать, поскольку поиск неисправностей продолжался. 17 февраля 2017 года НАСА объявило о решении оставить Юнону на своей 53,5 - дневной орбите и выполнить миссию оттуда, посчитав дальнейшее использование двигателя слишком рискованным для миссии.

В июне 2018 года миссия была продлена до июля 2021 года. Несмотря на воздействие интенсивных радиационных полей Юпитера, Юнона держится на удивление хорошо, что свидетельствует об инженерах, которые проектировали корабль, и людях, которые его построили. В январе 2021 года НАСА вновь продлило миссию, основанную на этих результатах, до сентября 2025 года.

Второе продление включало в себя планы полета корабля мимо Ганимеда, Европы и Ио - первый из которых произошел 7 июня 2021 года, когда Юнона прошла в пределах 1038 км от Ганимеда.

Облет Европы на расстоянии 320 км запланирован на конец 2022 года, а в 2024 году последуют два облета Ио на расстоянии 1500 км. Эти встречи предназначены для того, чтобы дать планировщикам предстоящих миссий Europa Clipper и JUICE от НАСА и ЕКА лучшие данные перед запусками и прибытием этих аппаратов.

В сентябре 2025 года, или когда начнутся системные сбои (в зависимости от того, что произойдет раньше), Юнона целенаправленно сойдет с орбиты в атмосферу Юпитера. Подобно Галилею на Юпитере и Кассини на Сатурне до нее, огненный конец Юноны защитит потенциальную жизнь планеты от загрязнения Земли, которое зонд мог бы оставить после себя, если бы его оставили бесконтрольно летать в системе Юпитера, где гравитация могла бы в конечном итоге привести к тому, что аппарата столкнется с одной из лун.

Полярные сияния Юпитера

Хотя ни для кого не секрет, что Юпитер и другие планеты в нашей солнечной системе имеют полярные сияния, утренние бури Юпитера похожи на земные сияния - и чрезвычайно мощные.

Утренние авроральные бури наблюдались как наземными, так и орбитальными лабораториями; однако из-за наблюдений, проводимых вдали от Юпитера, земные телескопы никогда не могли видеть ночную сторону Юпитера при наблюдении полярного сияния.

«Наблюдение за полярным сиянием Юпитера с Земли не позволяет заглянуть дальше лимба, на темную сторону полюсов Юпитера», - сказал доктор Бертран Бонфонд из Льежского университета в Бельгии. «Исследования другими космическими аппаратами - Вояджером, Галилеем, Кассини - происходили с относительно больших расстояний и не проходили над полюсами, поэтому они не могли видеть полной картины».

Однако полярная орбита Юноны идеальна. Вот почему данные Юноны действительно меняют правила игры, позволяя нам лучше понять, что происходит на темной стороне, где рождаются рассветные бури.

Утренние полярные сияния состоят из кратковременного, интенсивного и расширяющегося сияния северного и южного полюсов Юпитера в области линии терминатора Юпитера - области, где день разделяется на ночь.

Исследования Бонфонда и др. показывают, что авроральные штормы рождаются на темной стороне планеты и становятся более светящимися, когда они вращаются на Юпитере в дневное время. Эти бури, будучи полностью освещенными, излучают сотни тысяч гигаватт ультрафиолетового излучения и сбрасывают в верхние и нижние слои атмосферы Юпитера в десять раз больше энергии, чем обычные полярные сияния.

При более внимательном рассмотрении данных Бонфонд и др. заметили специфическую черту этих бурь. «Когда мы посмотрели на всю последовательность утренних штормов, мы не могли не заметить, что они очень похожи на тип земных полярных сияний, называемых суббурями», - сказал Чжунхуа Яо, член команды в Университете Льежа.

Суббури наблюдаются на Земле и вызваны возмущениями в магнитосфере, которые высвобождают энергию в ионосферу. Любопытно, однако, что Земля и Юпитер имеют чрезвычайно разные магнитосферы, что вызывает вопросы о том, как и почему суббури происходят на гиганте нашей Солнечной системы.

На Земле эти процессы находятся под влиянием солнечной активности и взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром. На Юпитере в магнитосфере преобладают заряженные частицы, вылетающие из Ио, частицы, которые ионизированы и захвачены внутри магнитосферы из-за интенсивного магнитного поля Юпитера.

«Сила, которой обладает Юпитер, поразительна. Энергия этих утренних сияний - еще один пример того, насколько мощна эта гигантская планета на самом деле», - сказал Скотт Болтон, главный исследователь Юноны из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио.

Зодиакальные огни

В дополнение к науке о Юпитере и его спутниках, Юнона также занималась наукой о нашей Солнечной системе в целом.

После своего запуска в 2011 году Юнона прошла пятилетнюю летную фазу до прибытия на Юпитер. За это время космический аппарат зафиксировал частицы пыли, врезавшиеся в его приборы и корпус. Пыль, обнаруженная с помощью Усовершенствованного звездного компаса Юноны (ASC), небольшого прибора на магнитометре Юноны, который делает снимки неба, окружающего корабль, каждую четверть секунды, чтобы определить ориентацию и вращение космического корабля. Ученые надеялись, что одна из камер засечет неоткрытый объект в космосе и запрограммирует аппарата на то, чтобы сообщать о любых объектах, появляющихся на нескольких последовательных изображениях, которые он не сможет идентифицировать.

Поэтому, когда камера начала отсылать изображения неопознанных объектов вокруг Юноны, Йоргенсен и другие попытались выяснить, что это такое. «Мы смотрели на изображения и говорили: Что это может быть?» - сказал Йоргенсен.

Подсчитав размер и скорость материала на снимках, команда обнаружила, что эти частицы представляют собой субмиллиметровые кусочки солнечных панелей Юноны, отколотые пылинками, движущимися со скоростью 16 000 км/ч.

«Каждый кусок мусора, который мы отслеживали, регистрирует воздействие межпланетной пылевой частицы, что позволяет нам составить распределение пыли вдоль пути Юноны», - сказал Джек Коннерни, руководитель исследования магнитометра и заместитель главного исследователя Юноны.

Изучая эти данные, Йоргенсен и Коннерни заметили, что большая часть столкновений произошла между Землей и поясом астероидов. Это было важное открытие, потому что ученые еще не смогли точно измерить распределение этих пылевых частиц, поскольку прошлые миссии по сбору и анализу пыли были ограничены их доступными областями сбора пыли.

Однако солнечные панели Юноны имели в 1000 раз большую площадь поверхности для сбора пыли, чем предыдущие детекторы.

Но какое это имеет отношение к зодиакальному свету, иногда слабым полосам света, простирающимся от горизонта непосредственно перед рассветом или сразу после заката, вызванным отражением крошечных частиц пыли в облаках частиц, вращающихся вокруг Солнца по всей нашей Солнечной системе?

«Пыль, которую обнаружила Юнона, это пыль, которую мы видим как зодиакальный свет», - сказал Йоргенсен.

Внешний край пылевого облака заканчивается примерно в 2 а. е. от Солнца, немного дальше орбиты Марса. И Юпитер имеет много общего с этим, поскольку гравитация массивной планеты действует как своего рода щит против частиц, предотвращая их выход в глубокий космос. Но в то время как Юпитер ограничивает полет пыли, которую мы спорадически видим как зодиакальный свет, есть другая планета, с которой исходит пыль - Марс.

Используя данные Juno, Йоргенсен и др. разработали модель для представления дисперсии пыли и отражения света во всей Солнечной системе. Модель зависела от двух величин: наклона пыли к эклиптике и ее орбитального эксцентриситета. Когда Йоргенсен и др. используя орбитальные параметры Марса (единственный объект примерно в 2 а.е., который мог бы объяснить присутствие пыли), модель правильно предсказала, где будут зодиакальные огни.

«Это, на мой взгляд, подтверждение того, что мы точно знаем, как эти частицы вращаются по орбите в нашей Солнечной системе и откуда они летят», - сказал Коннерни.

В частности, команда предположила, что именно знаменитые/печально известные пылевые бури Марса в конечном счете ответственны за межпланетное пылевое облако, хотя точно, как эта пыль вылетела с Марса, потребует дальнейшего изучения.