Šťavnatá mise k Jupiteru z evropské kuchyně

Před pár hodinami prolétla vlnami internetu zpráva o doporučení komise SSAC evropské kosmické agentury ESA, která vybírala ze tří kandidátů na tzv. L mise (velké mise ESA). Každý z kandidátů by byl velkým přínosem a to nejen vědeckým, ale vybrán mohl být nyní jen jeden. Mise ATHENA představovala velkou výkonnou observatoř pro rentgenové záření, NGO (eLISA) první observatoř určenou pro sledování Vesmíru prostřednictvím stále tajemných gravitačních vln, a JUICE misi určenou k průzkumu ledových měsíců Jupiteru. Nakonec byla doporučena ke schválení právě posledně jmenovaná mise JUICE (JUpiter ICy moons Explorer). Přestože toto rozhodnutí ještě není konečné, je pravděpodobné, že tato mise bude formálně schválena 2. května zástupci členských států ESA.
Protože JUICE byl můj osobní favorit pro nádcházející L misi (osobní pořadí JUICE-NGO-ATHENA), připravil jsem menší zhrnutí, co můžeme čekat, bude-li definitivně schválena a samozřejmě pokud i dále půjde vše podle současných plánů (které se ale můžou stále trochu pozměnit).

Tabulka/Table 1.
Základní vědecké cíle mise JUICE. Tabulka převzata ze žluté knihy mise.
Basic science objectives of the JUICE mission. Table is from JUICE's Yellow Book.

Měsíce Jupiteru (a Jupiter samotný) studovala podrobně už americká sonda Galileo, která se v roce 1995 stala umělou družicí Jupitera. Spoustu dat také pořídily mise sond Voyager koncem 70. let. Přesto je Jupiterovo hájemství plné záhad, které by měla právě nová sonda poodhalit (a nesporně také nastolit otázky nové). Jak už název mise napovídá, hlavním cílem budou ledové měsíce Europa, Ganymed a Kallistó, ale ve vědeckém programu není zapomenuto ani na studium samotného Jupiteru, vulkanicky aktivního měsíce Ió, malých vnitřních měsíců, prstence, i vnějších měsíců na vzdálených nepravidelných drahách. Přehled základních vědeckých cílů mise je shrnut v tabulce 1, což je tabulka 1-1 převzatá z tzv. žluté knihy mise. Snad největší otázkou, na kterou by měla mise JUICE odpovědět, je, zda skutečně existují oceány u ledových měsíců Jupiteru (jak nasvědčují data ze sondy Galileo) a pokud ano, zjistit o nich co možná nejvíce informací.

Tabulka/Table 2.
Plánovaný průběh vědeckých fází mise JUICE. Tabulka převzata ze žluté knihy mise.
Science phases of the JUICE mission. Table is from JUICE's Yellow Book.

Aby bylo možné zodpovědět tuto otázku, bylo třeba navrhnout vhodný průběh mise. Základní rysy jsou shrnuty v tabulce 2, která je opět převzata ze žluté knihy (tab. 5-1). Po startu někdy v červnu roku 2022, nejspíše raketou Ariane-5 ECA, se JUICE vydá na dlouhou pouť, při které bude její dráha několikrát upravována průlety okolo Země (3×) a Venuše (1×).
Po sedmi a půl letech doletí počátkem roku 2030 k Jupiteru a pomocí hlavního raketového motoru se dostane na oběžnou dráhu okolo Jupiteru (po třetí v historii, po sondách Galileo a JUNO). Před tím by mohla, pokud tomu bude orbitální mechanika nakloněna, navštívit zblízka jeden z vnějších měsíců Jupiteru. Pak sondu čeká "túra" po Jupiterově systému, během které navštíví 2× Europu (vzdálenost ~400 km), 12× Ganymed a 13× Kallistó (vzdálenost ~200 km).
Pro srovnání - sonda Galileo navštívila 11× Europu, 6× Ganymed a 8× Kallistó, navíc navštívila ještě 7× Ió a 1× Amaltheu. Z toho ale jen čtyři průlety Europy, tři průlety okolo Kallistó a jen jeden okolo Ganymedu byly v podobné blízkosti s jakou se počítá pro JUICE. U tří průletů okolo Ió došlo k poruchám (část dat byla ztracena) způsobených silnou radiací a Amalthea nebyla vůbec snímkována.
Nakonec se sonda usadí na oběžné dráze okolo Ganymedu (jako první umělá družice jiného měsíce než zemského) a od září 2032 ho bude minimálně devět měsíců zkoumat z nejbližší vzdálenosti ~200 kilometrů. Pak končí nominální mise a dále bude osud mise záviset na technickém stavu sondy, zásobách paliva a ochotě agentury ESA platit prodlouženou misi. Definitivní osud JUICE pak bude zpečetěn jejím dopadem na povrch.

Tabulka/Table 3.
Plánované vědecké experimenty mise JUICE. Tabulka převzata ze žluté knihy mise.
Model payload of the JUICE mission. Table is from JUICE's Yellow Book.

Pro samotný průzkum při všech těch průletech je samozřejmě nutností mít připraveny kvalitní vědecké experimenty. Těch nese JUICE celkem jedenáct. Jejich seznam, spolu se základními charakteristikami, je uveden v tabulce 3, převzaté, jak jinak, ze žluté knihy (tam jako tab. 6-1)
Více se zaměřím jen na přístroje pro dálkové sledování, ve kterých se více vyznám a můžu provést základní srovnání. Na palubě sondy by měly být dvě kamery, úzkoúhlá (NAC) a širokoúhlá (WAC). Kamera NAC bude mít dvakrát lepší úhlové rozlišení než obdobné kamery na palubách sond Galileo a Voyager. Také bude mít k dispozici 12 filtrů, oproti osmi u Galilea (systém SSI). Jestliže kamera Galilea pořizovala snímky jen se 256-ti stupni šedi, u JUICE to bude 4096 nebo více. Celkově se dá říct, že navzdory tomu, že se JUICE nepřiblíží k vnitřním částem Jupiterova systému tak blízko jako třeba Galileo, díky výkonnější kameře bude pořizovat snímky se stejným nebo i vyšším rozlišením. V tabulce č.4 jsou uvedeny hodnoty rozlišení kamery NAC pro povrchy různých těles v jupiterově systému a srovnání s nejlepšími výsledky dosavadních sond.

Tabulka/Table 4.
Hrubý odhad rozlišení snímků kamery NAC u různých těles v jupiterově systému a srovnání s dosavadními nejlepšími výsledky. Best guess odpovídá mému nejlepšímu odhadu založenému na publikovaném profilu oběžných drah mise JUICE a úhlovém rozlišení kamery NAC. Theoretical maximum odpovídá ideální situaci, kdy by se sonda i snímané těleso dostalo do optimální vzdálenosti. Čísla jsou uvedena s desetinnou tečkou.
Rough estimation of NAC camera resolution capabilities in the Jovian system and comparison with resolution of the best images from older missions. "Best guess" is my best estimate based on published mission profile and NAC capabilities. "Theoretical maximum" is resolution for ideal configuration of orbits (of the JUICE spacecraft and imaged target).

Zobrazovací infračervený spektrometr VIRHIS bude mít 2- až 4-násobné úhlové rozlišení ve srovnání s obdobným systémem NIMS na sondě Galileo, přitom disponuje i větším zorným polem. Zobrazovací ultrafialový spektrometr má dokonce 10× lepší úhlové rozlišení než spektrometr Galilea.
Část přístrojů JUICE poletí k jupiterovým měsícům vůbec poprvé. To je případ, třeba laserového dálkoměru, který bude dostatečně citlivý na to, aby určil zda má Ganymed podpovrchový oceán. Pokud jej totiž má, pak dálkoměr změří vzedmutí povrchu způsobené slapovými silami. Dále umožní získat první přímá topografická měření terénu na Europě a Kallistó (a samozřejmě i Ganymedu).
Mikrovlnný spektrometr SWI umožní měřit teploty povrchů měsíců a také rychlost větrů v jupiterově atmosféře.
Svými schopnostmi téměř Sci-Fi přístroj (přestože jeho první představitel letěl už na Apollu 17) je podpovrchový radar IPR. Díky němu se budeme moci přímo podívat jak vypadá struktura podpovrchových vrstev měsíců Europa, Ganymed a Kallistó. Přitom maximální hloubka, do které může radar nahlédnout, je dle materiálu asi 1 až 10 kilometrů. Pokud by na Europě byl oceán někde skryt jen pod pár kilometrů tlustou kůrou, pak bychom měli šanci toto rozhraní přímo "vyfotit".
Z dalších experimentů bych se asi ještě zastavil u hmotového spektrometru INMS, který, jestli mě paměť neplete, také nebyl na žádné družici Jupitera. Ten bude schopen například měřit chemické složení velmi řídkých atmosfér ledových měsíců.
Pro studium vlastností případných oceánů budou důležité i další experimenty, které jsou naopak stálicemi na většině planetárních misí, ale díky kombinaci citlivosti těchto experimentů a vhodně naplánovaným blízkým průletům, bude moci JUICE přinést řadu zajímavých poznatků. Díky měření slabých nuancí magnetického pole v těsné blízkosti měsíců bude možné určit některé charakteristiky případných oceánů jako je třeba elektrická vodivost (a tedy i přibližně určit slanost) nebo jejich hloubka a k podobnému účelu se dá použít i rádiový systém sondy.
Pořídit data je ovšem jedna věc, dostat je na Zemi je věc druhá. Díky poruše hlavní antény mohla sonda Galileo přenášet data jen rychlostí max. 160 bps. Touto rychlostí se dá přenést na Zemi asi 10 Mbit dat, pokud běží přenos 24 hodin (což je nereálné). U mise JUICE se počítá s každodenním přenosem dat okolo 1,4 Gbit (140× více než teoretické maximum u Galilea).
JUICE je tedy velmi slibná mise a pokud se vše povede, tak jak má, pak se máme na co těšit.

Obrázek/Figure 1.
Different bodies in Jovian system at resolutions obtainable by JUICE's NAC camera. Images are from Galileo spacecraft (apart from Jupiter, which is from Voyager).
Kredit/Credit: NASA/JPL/Daniel Macháček

A aby bylo možné si trochu lépe představit na co se máme těšit, připravil jsem na závěr rychlý a hrubý obrázek (obr.1) znázorňující různá tělesa jupiterova systému při podobných rozlišeních, kterých by měla dosáhnout úzkoúhlá kamera NAC. Všechny použité snímky jsou ze sondy Galileo (kromě snímku Jupitera, který je z Voyageru) a předpokládám, že ty z JUICE budou v mnoha ohledech lepší, např. budou barevné (zejména ty globální) a nebudou tolik trpět různými vadami (ty jsem schválně v obrázku ponechal a mělo by si jich všimnout i necvičené oko).

UPDATE (2.5.2012):
ESA oficiálně schválila JUICE se jako svou další velkou misi - http://www.esa.int/esaCP/SEM9I4QWJ1H_index_0.html.

(21) Lutetia

Přestože byly poslední měsíce v oblasti planetárního výzkumu spíše ve znamení špatných zpráv, přičemž společným jmenovatelem byl hlavně plánovaný rozpočet NASA a masivní škrty (~20%) v oblasti výzkumu Sluneční soustavy, čeká nás v budoucnu spousta zajímavých událostí. Hlavní zásluhu na tom mají hlavně mise, které už jsou v kosmickém prostoru a naštěstí nikdo není tak šílený, aby je zrušil za letu. Přitom skutečnou lahůdkou bude zejména polovina tohoto desetiletí (léta 2014 až 2016), kdy doletí k Jupiteru sonda JUNO (NASA), k planetce Ceres sonda Dawn (NASA) (v době kdy píšu tyto řádky má stále napilno u Vesty), ale především čekáme průlet sondy New Horizons (NASA) okolo ledové trpasličí dvojplanety Pluto-Charon a sonda Rosetta (ESA) přiletí v roce 2014 ke kometě 67P/Churyumov-Gerasimenko, kde se stane první umělou družicí komety a vysadí na povrch přistávací modul Philae.
V tomto příspěvku se budu věnovat právě posledně jmenované sondě Rosetta. Byla vypuštěná již v roce 2004 a během desetileté cesty ke svému cíli navštívila hned několik nebeských těles. Třikrát prolétla okolo Země a jedenkrát okolo Marsu. Měla také příležitost navštívit jako první vyslanec lidstva dvě planetky - (2867) Šteins a (21) Lutetia. Všechny následující obrázky zobrazují druhou ze zmíněných planetek - Lutetii (česky zřejmě Lutecii).
Jestliže planetka Šteins, kterou Rosetta navštívila v roce 2008, je relativně malou planetkou s průměrem něco přes pět kilometrů, pak Lutetia, kterou Rosetta navštívila 10. července 2010, je proti ní skutečným obrem o průměru okolo 100 kilometrů. Nejlépe je to vidět na tomto srovnání velikostí jednotlivých planetek navštívených sondami, které vytvořila Emily Lakdawalla z Planetary Society.

Obrázek/Figure 1.
False color image of the asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (WAC). Images W20100710T154122690ID30F13, W20100710T154127492ID30F15, W20100710T154131072ID30F16 and W20100710T154058919ID30F31 (filter UV245), W20100710T154127492ID30F15 (filter NH2), W20100710T154135366ID30F18 (filter VIS610) for color information. Image is 2× magnified.
Resolution is 214 m/pix (original resolution was 428 m/pix). Date: 10.7.2010. 
Kredit/Credit: ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček.

Všechny následující obrázky, kromě obrázků 2 a 7, mají stejnou orientaci. První obrázek Lutetie (obr.1) je barevnou kompozicí ve falešných barvách složený ze snímků W20100710T154122690, W20100710T154131072, W20100710T154058919 (filtr UV245), W20100710T154127492 (filtr NH2) a W20100710T154135366 (filtr VIS610) (názvy bez koncového indikátoru verze a typu filtru, celý název je v anglickém popisku pod obrázkem). Obrázek je oproti originálním snímkům dvakrát zvětšen, takže rozlišení je 214 m/pix, zatímco u zdrojových snímků je to přibližně 430 m/pix. Tento obrázek je jediným v tomto příspěvku, který byl pořízen širokoúhlou kamerou (WAC) kamerového systému OSIRIS sondy Rosetta. Všechny ostatní pocházejí z kamery úzkouhlé (NAC).

Obrázek/Figure 2.
Asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS narrow angle camera (NAC). Color is approx. natural (author's guess based on published spectra). Images N20100710T151458339ID30F84 (blue filter), N20100710T151505658ID30F83 (green filter), N20100710T151512969ID30F82 (orange filter). Right image is contrast enhanced by the CLAHE filter (by Stephan Saalfeld) and denoised by the PureDenoise filter (by Florian Luisier at the Biomedical Imaging Group (BIG), EPFL, Switzerland).
Resolution is ~500 m/pix (distance ~26 700 km). Date: 10.7.2010.
Kredit/Credit:  ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

Druhý obrázek (obr.2) je barevnou kompozicí v přibližně reálných barvách (jak by Lutetii viděl člověk) složený ze snímků N20100710T151458339 (modrý filtr), N20100710T151505658 (zelený filtr) a N20100710T151512969 (oranžový filtr). Zdrojové snímky byly pořízeny z podstatně větší vzdálenosti než u předchozího obrázku (asi 26 700 km vs. 4250 km), ale díky tomu, že byly pořízeny kamerou OSIRIS NAC, která má více jak 5× vyšší rozlišení než její širokoúhlá sestřička WAC, je planetka dobře viditelná a nejmenší zpozorovatelné detaily mají asi jeden kilometr (rozlišení ~500 m/pix). Barvu jsem doladil tak, aby zhruba odpovídala publikovaným spektrům Lutetie (třeba Sierks et al., 2011). Ze spekter je patrné, že Lutetia není ve viditelném světle zrovna moc barevná. Dominuje šedé zbarvení s červeným nádechem. Pravý obrázek odpovídá levému, ale tentokrát jsem zesílil lokální kontrasty, aby vynikly detaily a dodatečně jsem také snížil vliv šumu. K tomu jsem použil filtry CLAHE (autor Stephan Saalfeld) a PureDenoise (od Floriana Luisiera z Biomedical Imaging Group (BIG), EPFL, Švýcarsko), které jsou dostupné pro specializovaný grafický program ImageJ.

Obrázek/Figure 3.
Approx. natural color image of the asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (NAC). Images N20100710T154119779ID30F24 (blue filter), N20100710T154127652ID30F23 (green filter), N20100710T154135529ID30F22 (orange filter).
Resolution is 79 m/pix. Date: 10.7.2010. 
Kredit/Credit: ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

Další obrázek (obr.3) je opět v přibližně reálných barvách a je sestaven ze snímků, které poskytují nejlepší celkový pohled na Lutetii v barvách. Snímky N20100710T154119779 (modrý filtr), N20100710T154127652 (zelený filtr) a N20100710T154135529 (oranžový filtr) jsem spojil do jediného s rozlišením 79 m/pix, což znamená, že nejmenší viditelné detaily mají asi 160 metrů v průměru.
Lutetia je jako většina planetek hustě pokryta krátery, ale kamery odhalily na povrchu i spoustu dalších, jiných, útvarů. Za pozornost stojí třeba centrální oblast s kráterem plným balvanů a skalisek. Přitom největší mají v průměru 3 až 5 pixelů, což znamená, že jsou velké až 400 metrů! To už představuje celkem pěkné "šutříky". Ostrooký divák pak dokáže nalézt další balvany i v jiných oblastech Lutetie. V místě největšího výskytu balvanů (středový kráter) je také možné spatřit několik sesuvů regolitu. Záhadnými útvary jsou pásy rýh táhnoucí se téměř kdekoliv na povrchu Lutetie. Podobné útvary je možné nalézt také na marťanském měsíci Phobu a dalších tělesech. Existuje několik teorií, které vysvětlují vznik těchto rýh, ale zatím žádná nedává plně uspokojivé odpovědi. Nicméně předpokládá se, že je jejich vznik spojen se vznikem velkých kráterů (třeba zde).

Obrázek/Figure 4.a,b.
Stereo image (stereogram) of the asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (NAC). Anaglyph (4.a) and cross-eye (4.b) versions. Images N20100710T154343881ID30F28 (left image) and N20100710T154400348ID30F71.
Resolution is 60 m/pix. Date: 10.7.2010. 
Kredit/Credit: ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

Další obrázky (obr.4.a,b; 5.a,b a 6.a,b) jsou stereogramy Lutetie, jak v anaglyfové, tak i "šilhací" (cross-eye) verzi. Jsou vytvořeny ze snímků pořízených v čase největšího přiblížení Rosetty k Lutetii (~3200 km) a nejmenší viditelné detaily mají rozměr asi 120 metrů (rozlišení 59-60 m/pix). Protože stereogramy se snímky vedle sebe (cross-eye) jsou v rozlišení lepším, než má většina monitorů, pro prohlížení v plném rozlišení doporučuji třeba program StereoPhoto Maker od Masuji Suta a Davida Sykese, kterým byly tyto stereogramy i vyrobeny (neuvěřitelný program s obrovskou zásobou vychytávek při velikosti 1 MByte!).
První dvojice(obr.4.a,b) je vytvořena ze snímků N20100710T154343881 (levý obrázek) a N20100710T154400348, pořízených těsně před nejbližším přiblížením. Druhá dvojice (obr.5.a,b) je vytvořena ze snímků N20100710T154441262 (levý obrázek) a N20100710T154509210, pořízených těsně po nejbližším přiblížením. V obou případech byly snímky pořízeny přibližně 16 sekund po sobě.

Obrázek/Figure 5.a,b.
Stereo image (stereogram) of the asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (NAC). Anaglyph (5.a) and cross-eye (5.b) versions. Images N20100710T154441262ID30F22 (left image) and N20100710T154509210ID30F22.
Resolution is 59 m/pix. Date: 10.7.2010. 
Kredit/Credit: ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

Poslední stereogram (obr.6.a,b) je vytvořen ze snímků N20100710T154400348 (levý obrázek) a N20100710T154441262 pořízených zhruba v čase okolo největšího přiblížení Rosetty k Lutetii. Byly pořízeny asi 40 sekund po sobě, takže divák prohlížející si tento stereogram, pozoruje Lutetii pod větším úhlem. Díky tomu jsou některé vzdálenější partie Lutetie již za horizontem, což poněkud ruší. Výhodou ale je, že plasticky vystoupí i menší předměty a tak je možné vidět i některá dříve již zmiňovaná skaliska trojrozměrně. Samozřejmě jen v případě, že si obrázek prohlížíte v plném rozlišení.

Obrázek/Figure 6.a,b.
Stereo image (stereogram) of the asteroid Lutetia from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (NAC). Anaglyph (6.a) and cross-eye (6.b) versions. Images N20100710T154400348ID30F71 (left image) and N20100710T154441262ID30F22.
Resolution is 59 m/pix. Date: 10.7.2010.
Kredit/Credit:  ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

Na konec jsem připravil obrázek Lutetie (obr.7) pořízený kamerou NAC v době, kdy se Rosetta již vzdalovala od Lutetia. Planetka v tu chvíli byla viditelná jen jako drobný srpek. Na kombinaci snímků N20100710T155158740 (modrý filtr), N20100710T155206628 (zelený filtr) a N20100710T155214538 (oranžový filtr) jsou vidět detaily menší než 300 metrů (rozlišení 140 m/pix). Tento obrázek je otočen o 180° oproti zdrojovým snímkům (o 90° vůči obrázkům 1, 3, 4, 5, 6) a kráter dominující záběru odpovídá velkému kráteru vpravo na obrázcích 1, 3, 4, 5 a 6.
Na úplný závěr pak musím ještě přiložit odkaz na krátkou animaci Ian Regana vytvořenou ze snímků Lutetie pořízených během průletu - YOUTUBE, která umožňuje vidět průlet v celé jeho kráse.

Obrázek/Figure 7.
Crescent Lutetia. Approx. natural color? image from Rosetta's OSIRIS wide angle camera (NAC). Images N20100710T155158740ID30F24 (blue filter), N20100710T155206628ID30F23 (green filter), N20100710T155214538ID30F22 (orange filter).
Resolution is ~140 m/pix. Date: 10.7.2010. 
Kredit/Credit:  ESA / MPS / UPD / LAM / IAA / RSSD / INTA / UPM / DASP / IDA / Daniel Macháček. 

EDIT: Byl jsem upozorněn (zde a zde) na to, že obrázky jsou zrcadlově obrácené oproti realitě. Proto jsem nahrál nové, s řádnou orientací. Rotace je ovšem stále nastavena dle mého vkusu a pro snadné prohlížení 3D obrázků (rotace pohledu je zde nakonec docela nepodstatná z důvodu toho, že detailní obrázky zobrazují severní pól Lutetie).
Děkuji pozorným komentátorům za upozornění!

I was pointed out (here and here), that images were wrongly flipped. So I uploaded new versions with correct orientation. Rotation is still set according to my preference and easy viewing of the 3D images (after all rotation isn't so important here, because all hi-res images show north pole region).
Thanks to all commentators for notice!