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.

Jovinálie

Je docela zvláštní, že misi, která suverénně vede mezi podněty v mém útlém dětství, které mě vedly k zájmu o planety, měsíce a další tělesa potulující se naší Sluneční soustavou a které jsem se nejvíce věnoval i při vytváření obrázků (třeba zde), jsem nevěnoval na svém blogu ještě ani jeden příspěvek. Je na čase zplatit dluh, či přesněji ho trochu snížit neb to doufám nebude naposledy, kdy se k dané misi dostanu. A tato mise se nejmenuje Apollo, nýbrž Voyager.
V roce 1977 odstartovaly z floridského mysu Canaveral dvě, velikostí docela skromné (méně než jedna tuna), meziplanetární sondy - Voyager 1 a Voyager 2. Třetí, záložní, exemplář zůstal na zemi, ale dobře posloužil při řešení problémů, se kterými se potýkaly obě letící sondy. Během následujících let prolétl Voyager 1 okolo Jupiteru, poté Saturnu a jeho měsíce Titanu, aby se nakonec vydal na mezihvězdnou pouť, která stále pokračuje a pokud nezaúřaduje "Velký galaktický ghoul", tak ještě snad 10 až 20 let pokračovat bude. Dvojka měla o něco pestřejší pouť. Kromě Jupiteru a Saturnu prolétla ještě okolo Uranu a Neptunu (1989). Během své cesty vyfotily obě sondy snad vše co potkaly. To se týkalo nejen planet, ale také měsíců. Přitom nebyly ignorovány ani malé měsíčky, pokud byla známa jejich dráha a bylo dost času udělat změnu v programu. Mnoho těchto malých měsíčků bylo také objeveno právě díky oběma sondám. Nicméně dnešní příspěvek se týká hlavně prvního cíle, který Voyagery potkaly a to obří plynné planety Jupiter.

Planetu Jupiter do dnešních dnů navštívilo už osm sond, přitom jedna se stala i jeho družicí (Galileo), ale troufám si tvrdit, že fotografie z Voyagerů jsou nejúchvatnější. Důvodem je jak malá vzdálenost, na kterou se Voyagery k Jupiteru přiblížily a tím i velmi dobré rozlišení snímků, tak bezvadně fungující přenos dat rychlostí 115 kbit/s, díky kterému je k dispozici moře snímků. Výhodou byly paradoxně i staré vidikonové snímače, které měly dobrou odolnost proti vysoké radiaci, která panuje blízko Jupitera. Například první obrázek (obr.1), zkombinovaný ze tří snímků pořízených Voyagerem 2 dne 9.7.1979 přes oranžový (c2063155), zelený (c2063150) a fialový filtr (c2063145), má rozlišení asi 89 km/pix, což je srovnatelné s nejlepšími snímky, které pořídila sonda Cassini v roce 2000. Není se zase čemu divit neboť Cassini prolétla ve vzdálenosti okolo 10-ti miliónů kilometrů, kdežto Voyager fotil v tomto případě Jupiter ze vzdálenosti jen něco málo přes 1 milión km.

Obrázek/Figure 1.
Part of Jovian disc on color image from Voyager 2 wide angle camera (WAC).
Images c2063145 (violet filter), c2063150 (green filter), c2063155 (orange filter). Resolution is ~89 km/pix. Date: 9.7.1979.
Kredit/Credit: NASA/JPL/Daniel Macháček

Kamery na Voyageru nebyly ale žádné "béčka" ani na dnešní poměry. Obr.1 byl pořízen širokoúhlou kamerou (WAC) s menším rozlišením (a širším zorným polem), ale součástí zobrazovacího systému Voyagerů (tzv. ISS) byla i úzkoúhlá kamera, vybavená zrcadlovým teleobjektivem, schopná rozlišit světla automobilu na vzdálenost 200 kilometrů. Zatímco širokoúhlá kamera fotila snímky, ze kterých je složen obr.1, úzkoúhlá kamera pořídila sadu snímků (c2063143, c2063148, c2063153, c2063158), kterou jsem poskládal do mosaiky na obr.2. Mosaika má zesílený kontrast, aby vynikly i malé detaily a barvu jsem přidal z obr.1. Navíc jsem musel trošku korigovat jas, protože zesílený kontrast poněkud pozměnil barevné podání celé mosaiky. Mosaika zobrazuje víry v tmavším severním pásu Jupitera obklopeného dvěma světlejšími zónami. V obou zónách jsou pak vidět menší oblaka, tvořící se na vrcholcích (zřejmě) výstupných proudů. Přitom nejmenší viditelná oblaka mají jen asi 25 kilometrů v průměru. Mosaika je totiž přepočtena na rozlišení 10 kilometrů na pixel, přičemž originální snímky měly rozlišení něco pod 12 km/pix.

Obrázek/Figure 2.
Swirling Jovian atmosphere in contrast enhanced mosaic from Voyager 2.
Narrow angle camera (NAC) images c2063143, c2063148, c2063153 and c2063158 (all green filter). Whole mosaic is colorised by color from fig.1, with some gamma corrections. Resolution of the original images was ~12 km/pix, images were resampled to resolution 10 km/pix. Date: 9.7.1979.
Kredit/Credit: NASA/JPL/Daniel Macháček

Víry v obrázku č.2 jsou na Jupiterovy poměry malé, nicméně v pozemských poměrech by se rovnaly větším bouřím a například cyklóna v pravé části mosaiky dole je velikostí srovnatelná s pozemskými hurikány. Obrázek č.3 umožňuje udělat si představu o skutečné velikosti celé scenérie. Podkladový obrázek je totožný s obr.1, ale nyní je navíc vyznačená oblast znázorněná mosaikou (obr.2) spolu s údaji o rozlišení obrázků č.1 i č.2. Navíc jsem přidal obrázek Země ve stejném měřítku (obrázek Země je složen ze snímků pořízených sondou Galileo).

Obrázek/Figure 3.
Localisation of fig.2 in fig.1 with Earth for size comparison. Earth image is made from Galileo's SSI images.
Kredit/Credit: NASA/JPL/Daniel Macháček

Poslední obrázek č.4 je "neplánované dítě" tohoto příspěvku, ale když jsem při dodatečném procházení Voyagerovských snímků uviděl tento výjev, nedalo mi to a musel jsem se s ním nějak vypořádat. Jedná se o snímek ve stylu označovaném anglicky jako Kodak moment, česky snad Kodakovská momentka. Tento typ snímků, pojmenovaný po známém výrobci (nejen) fotoaparátů, zpravidla vyniká zajímavou kompozicí. U snímků z kosmických sond se často jedná o zajímavé postavení více těles v záběru. Zde se jedná o Jupiter a jeho měsíc Europu, která vychází zpoza planety. Opět se jedná o záběry pořízené úzkoúhlou kamerou Voyageru 2, ale tentokrát téměř o týden dříve než u předchozích obrázků. Snímek c2046857, použitý jako podklad a snímky c2046901 (modrý filtr), c2046903 (oranžový filtr) a c2046905 (zelený filtr) byly pořízený již 3. července 1979. Ze vzdálenosti okolo 7-mi miliónů kilometrů bylo rozlišení decentních 65 km/pix, což je ale i tak stále lepší, než co zvládnou nejvýkonnější teleskopy od Země.

Obrázek/Figure 4.
Little "Kodak moment" from Voyager 2 - moon Europa behind Jupiter.
Narrow angle camera image c2046857 colorised by color from images c2046901 (blue filter), c2046903 (orange filter) and c2046905 (green filter). Resolution: ~65 km/pix. Date: 3.7.1979.
Kredit/Credit: NASA/JPL/Daniel Macháček

EDIT: Opravil jsem kosmického dhoula, na Velkého galaktického ghoula, což je mýtická příšera požírající kosmické sondy. :)