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.

Vysoké štíty Ionské

Pokud bychom se rozhlédli po Sluneční soustavě a pátrali po tom, kde se vyskytují hory, řekněme klasických tvarů, podobné těm na Zemi se štíty tyčícími se vysoko k nebesům, zjistili bychom, že takových míst moc není. A je ještě méně míst, ze kterých máme alespoň kvalitní snímky. Místa, která v tomto nejvíce přípomínají Zemi, jsou zřejmě Venuše a Titan. Mají hustou atmosféru a mají i vysoké hory (které nejsou sopkami), na Titanu třícisícovky a na Venuše jsou hory vysoké dokonce 11 kilometrů. Díky husté atmosféře disponujeme ovšem jen radarovými mapami, které postrádají kouzlo snímků pořízených klasickými kamerami. Z Marsu máme na druhou stranu mnoho zajímavých snímků, ale vysoké hory na Marsu jsou téměř vždy sopkami.
Pokud bychom vzali v úvahu tělesa, která postrádají viditelnou atmosféru, pak zjistíme, že většina ostatních vysokých hor jsou centrální kopce velkých kráterů nebo jejich krátery posázený povrch hned prozradí jejich nepozemský původ.
Přesto máme pěkné snímky velmi vysokých hor, které neleží na Zemi, a přitom nejsou ani hustě pokryté krátery, ani to nejsou sopky.

Jejich pořízení věru nebylo snadné.
Bylo totiž třeba vyslat kosmické sondy až do blízkosti Jupiterova měsíce Io.
A v blízkosti Io nepanuje zrovna přátelské prostředí. Díky vysoké úrovni radiace v této oblasti se každý elektronický obvod velmi rychle "usmaží". Díky speciální ochraně a použitím zodolněných komponent je zde možné nějakou dobu elektronické zařízení "udržet při životě" a díky tomu máme kvalitní, detailní fotografie Io a to hned ze dvou sond. První je Voyager 1, který prolétl kolem Io v roce 1979 ve vzdálenosti 20 600 km a druhou je Galileo, která se stala umělou družicí Jupitera v roce 1995 a kolem Io sedmkrát prolétla ve vzdálenosti bližší než Voyager 1 (ale pouze ve třech případech se podařilo získat kvalitní snímky).
V roce 2001, Galileo naposledy úspěšně prolétla okolo Io a pořídila mimo jiné následující úžasné snímky hory Tohil Mons a přilehlých lávových jezer Radegast Patera a Tohil Patera.

Tohil Mons, pojmenována po Mayském bohu počasí, je vzhledově spíše pohoří než hora, protože během procesu vzniku se celý její (dříve zřejmě monolitní) masiv rozlámal a některé části se sesunuly do nižších oblastí okolních planin. Díky tomu existuje v rámci masivu Tohil Mons hned několik vysokých vrcholků, z nichž zejména ty poblíže lávového jezera Radegast Patera, mají klasický tvar štítů tyčících se vysoko nad okolní krajinu. Jak vysoko? Analýzou topografie terénu a vytvářením trojrozměrných modelů útvarů na Io (a nejen na něm) se zabývá dr. Paul Schenk z Houstonského institutu Lunar and Planetary Institute (LPI). Ten změřil výšku některých vrcholků Tohil Mons na 9,4 km (Schenk et al., 2001). Použil přitom snímků z dřívějších průletů označovaných jako I24 a I27. Tyto snímky si můžete opět prohlédnout na blogu Gish Bar Times Jasona Perryho (zde a zde). Zajímavé na těchto snímcích je to, že Slunce bylo v době pořízení těchto snímků vysoko na Ionské obloze, Tohil Mons nevrhá stín a je velmi těžké zjistit, že na těchto snímcích se nalézá hora vyšší než Mount Everest.
Při průletu I32 byly pořízeny další snímky, tentokrát bylo Slunce nízko a  Tohil Mons krásně vynikl. Navíc tyto snímky mají i lepší rozlišení okolo ~50 metrů na pixel (dřívější snímky něco pod 200 m/pix). Protože Galileo pořídil další sadu snímku z větší vzdálenosti a z poněkud jiného úhlu, bylo možné tyto snímky zpracovat do třírozměrné podoby. Toho opět využil P. Schenk, který vytvořil digitální výškové modely (DEM) této hory a přilehlého okolí. Z takových modelů je pak možné vytvořit například animace celé hory. P. Schenk zveřejnil dvě takové animace, jedna využívá data z průletů I24 a I27, druhá je vylepšena o data z průletu I32.
Já jsem použil stejná data k vytvoření trojrozměrných snímků této hory a lávového jezera Radegast Patera. Tyto snímky můžete vidět níže v podobě černobílého a barevného anaglyfu (potřebujete červeno-modrozelené brýle) nebo v podobě dvojice (normální a se zesíleným kontrastem) viditelné trojrozměrně metodou zašilhání  (metoda cross-eye). Barva byla přidána z barevných snímků pořízených sondou Galileo dříve přes fialový, zelený a infračervený filtr.

Snímky jsou z důvodu stereoskopického zobrazení vhodně natočeny, směr nahoru odpovídá na trojrozměrných snímcích zhruba směru jihovýchodnímu. Ve spodní části snímků můžete vidět tmavé lávové jezero Radegast Patera. Toto jezero je pojmenováno po slovanském  bohu slunce a úrody Radegastovi. Což, jen tak mimochodem, zapříčinilo můj poněkud osobnější vztah k těmto snímkům, protože žiju nedaleko Beskydského vrcholku Radhoště, který je po něm také pojmenován (a má zde sochu) a stejnojmenné pivo také není špatné, ale zpět na Io. Lávové jezero Radegast Patera je v Ionských měřítcích spíše jezírkem a patří k těm nejmenším zaznamenaným. Má tvar oválu o rozměrech 29×21 kilometrů (Williams et al., 2004). Přitom na Io nejsou výjimkou lávová jezera s desetinásobnými rozměry (třeba Loki Patera). Ne všechna lávová jezera na Io jsou ovšem dodnes aktivní a obsahují čerstvou lávu. Část těchto jezer jsou němými svědky dřívější vulkanické aktivity a v současné době jsou už vychladlá a jsou tvořena jen ztuhlou lávou. I Radegast Patera není evidentně aktivní v tom smyslu, že by bylo plné žhavé lávy. Žhavá žhnoucí láva by byla velmi dobře vidět. Přesto díky speciálnímu zobrazovacímu spektrometru, který byl na palubě Galileo, víme, že Radegast Patera aktivní je, s lávou ukrytou nehluboko pod ztuhlou lávovou krustou. Pomocí tohoto přístroje je možné měřit teplotu povrchu Io a na povrchu lávového jezera naměřil teplotu okolo 50°C (Lopez et al., 2004), což je zhruba o 200°C více než chladné okolí. Konkrétně se jedná o oblast viditelnou na obrazcích jako velmi tmavá skvrna o průměru asi 7,5 km v pravé části Radegast Patera (Lopez et al., 2004).
Nad jezerem se tyčí štíty samotné hory Tohil Mons. Dva velké, nejbližší k Radegast Patera, nebyly zřejmě zahrnuty do měření P. Schenka (protože chybí v mosaice z průletů I24 a I27). Výška prvního z nich je odhadována na 10 km (Williams et al., 2004), ale objevil se i údaj o celkové výšce 11 km nad okolními planinami (Williams et al., 2004).
Další dva vzdálenější vrcholky jsou o něco nižší, s výškou mezi 7-mi až 9-ti kilometry. Zvrásněný terén v horní části snímku je zřejmě sesuvem části hory do údolí. Jak vypadá celý horský masiv Tohil Mons o rozměrech 112×345 km a ploše přes 43 000 km² (Schenk et al., 2001) si můžete prohlédnout na výše uvedených animacích P. Schenka, či na této mosaice Jasona Perryho. Tohil Mons je horský masiv tvaru motýla (či netopýra) mírně pod středem této mosaiky.
Tohil Patera není na mých stereoskopických snímcích viditelná, ale můžete si ji prohlédnout na mosaice této oblasti, opět od J. Perryho. Je to "flekatá" oblast v pravé části snímku.

Černobílý a barevný anaglyf hory Tohil Mons a lávového jezera Radegast Patera.
Kredit: NASA/JPL/Daniel Macháček.

Tohil Mons a Radegast Patera stereoskopicky zobrazitelná metodou zašilhání. Standardní verze (shodná s výše zobrazenou anaglyfovou verzí) a verze se zesíleným kontrastem.
Kredit: NASA/JPL/Daniel Macháček.

(Lopez et al., 2004) Rosaly M. C. Lopes, Lucas W. Kamp, William D. Smythe, Peter Mouginis-Mark, Jeff Kargel, Jani Radebaugh, Elizabeth P. Turtle, Jason Perry, David A. Williams, R. W. Carlson et al.
Lava lakes on Io: observations of Io's volcanic activity from Galileo NIMS during the 2001 fly-bys, Icarus 169, Pages 140-174, 2004.

(Schenk et al., 2001) Paul Schenk, Henrik Hargitai, Ronda Wilson, Alfred McEwen and Peter Thomas .
The Mountains of Io: Global and geological perspectives from Voyager and Galileo.
Journal of Geophysical Research (Vol 106, E12, Pp 33201-33222, December 25, 2001) via Io Mountain Database.

(Williams et al., 2004) David A. Williams, Paul M. Schenk, Jeffrey M. Moore, Laszlo P. Keszthelyi, Elizabeth P. Turtle, Windy L. Jaeger, Jani Radebaugh, Moses P. Milazzo, Rosaly M. C. Lopes and Ronald Greeley. Mapping of the Culann–Tohil region of Io from Galileo imaging data, Icarus 169, Pages 80-97, 2004.