Jupiter Icy Moon Explorer

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Jupiter Icy Moon Explorer (малюнок художника)

Jupiter Icy Moon Explorer - автоматична міжпланетна станція Європейського космічного агентства, яка проектується для вивчення системи Юпітера, головним чином — супутників Ганімеда, Європи і Каллісто на предмет наявності у цих місяців підповерхневих океанів рідкої води. Дослідження Іо будуть вестися тільки дистанційно. До основних цілей місії JUICE входить дослідження Ганімеда як багатого водою світу, що має найважливіше значення для визначення потенційної населеності Сонячної системи поза Землею. Крім того, особливу увагу буде приділено дослідженням унікальних магнітних і плазмових взаємодій Ганімеда і Юпітера. Місія була затверджена 2 травня 2012 як основна класу L1 у рамках програми Cosmic Vision на 2015—2025 роки[1]. Орієнтовна вартість програми становить 850 млн євро[2] (у цінах 2011 року). Науковий керівник проекту — Дмитро Титов (ЄКА).

Історія програми[ред.ред. код]

  • До 2009 року місія називалася Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) і була частиною міжнародної програми (НАСА/ЄКА/Роскосмос/JAXA) Europa Jupiter System Mission, запланованої до запуску на 2020 рік. Після виходу з проекту США та Японії на початку 2011 року Європейське космічне агентство продовжило опрацьовувати проект, який входив в концепцію програми «Cosmic Vision» ще з 2007 року.
  • Квітень 2011 — ЄКА оголосило про створення нової науково-дослідної групи для опрацювання місії L-класу в рамках програми «Cosmic Vision», яка займеться переформулюванням програми EJSM-Лапласа, що складалася з апаратів Юпітер Ганімед Orbiter (ЄКА) і Юпітер Europa Orbiter (НАСА).
  • Березень — жовтень 2011 — проведення науково-дослідних робіт з підготовки звіту за проектом-спадкоємцем JGo — JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer).
  • Грудень 2011 — публікація дослідного звіту за проектом JUICE. Документ обсягом 133 сторінки (т. н. «Жовта книга») торкався наукових, технічних та управлінських питань проекту і включав опис місії, мети, сценарій, вимоги до наукових приладів і короткий виклад трьох стадій розробки зонда.
  • У квітні 2012 року з трьох претендентів на реалізацію в рамках програми «Cosmic Vision» на 2015—2025 рр. програмний комітет ЄКА віддав перевагу проекту JUICE перед двома іншими — обсерваторією для пошуку гравітаційних хвиль NGO (New Gravitational Wave Observatory) і рентгенівським телескопом ATHENA (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics).
  • 2 травня 2012 — ЄКА офіційно затвердило місію JUICE, головна відмінність якої від проекту JGO полягає в додаванні в сценарій місії двох обльотів Європи.
  • 21 лютого 2013 ЄКА затвердило для розробки 11 наукових приладів зонда.
  • Листопад 2014 — публікація чергового дослідного звіту за проектом JUICE за період роботи з лютого 2012 по жовтень 2014 року. Документ обсягом 128 сторінок (т. н. «Червона книга») торкався наукових, технічних та управлінських питань проекту і включав опис місії, цілі, сценарій, вимоги до наукових приладів і короткий виклад стадій розробки зонда.

Плановані події[ред.ред. код]

  • У 2013 році очікується підписання угоди між ЄКА і Роскосмосом про участь Росії в проекті: про надання російською стороною ракети-носія і про інтеграцію місій JUICE і «Лаплас-П». Об'єднання програм, за словами представників ЄКА, можливо лише за умови того, що Росія встигне підготувати свій спусковий апарат з вивчення Ганімеда до 2022 року. У цьому випадку обидві програми будуть об'єднані в одну і стануть взаємовигідними.
  • До 2015 року місія JUICE буде перебувати в так званій фазі визначення — фазі ескізних проектів інструментів і самого апарату.
  • 2015 — етап дослідно-конструкторських робіт.
  • Кінець 2018 — всі підрядники повинні поставити наукову апаратуру в Європейське космічне агентство для безпосередньої збірки апарату.

Передумови місії[ред.ред. код]

У 1995 апарат Галілео прибув в систему Юпітера щоб провести детальні дослідження планети та її супутників, слідом за місіями Піонер 10 і 11, Вояджерів 1 і 2 та Улісса. Особливу увагу було приділено дослідженням чотирьох галілеєвих супутників — Іо, Європі, Ганімеду і Каллісто — у яких (за винятком Іо) були виявлені підповерхневі океани. «Галілео» також вдалося виявити у Ганімеда магнітне поле, яке генерується, ймовірно, в результаті конвекції в рідкому ядрі.

Дослідження, проведені апаратом Кассіні на початку XXI століття, показали, що супутники Сатурна — Енцелад і Титан — також мають підповерхневі рідкі океани.

Ці відкриття привели до появи нової парадигми населених світів, згідно з якою крижані супутники газових гігантів є сприятливими місцями для зародження життя. Ймовірно, екзопланети, що мають крижані супутники з підповерхневим океаном, можуть бути набагато більш поширеним явищем у Всесвіті, ніж планети на зразок нашої Землі, для появи життя на яких потрібні особливі умови. «Галілео» зробив важливе відкриття, а саме — наявність магнітного поля у Ганімеда, єдиного супутника в сонячній системі, що має подібне поле. Ганімед і Європа, як вважається, досі внутрішньо активні через сильну приливну дію Юпітера.

Ще в період функціонування «Галілео», а також після його сходження з орбіти в 2003 році, наукове співтовариство неодноразово робило спроби вибити фінансування на чергову місію з дослідження системи Юпітера. Майже всі вони були відхилені з двох основних причин — внаслідок високої складності і нестачу коштів.

Місія, яка запустила 5 серпня 2011 зонд Юнона з прибуттям до Юпітера в 2016 році сфокусована виключно на вивченні самого газового гіганта і не розрахована на дослідження його супутників. Теоретично, можливості кольорової камери Юнони дозволять отримати зображення найближчого до Галілеєвого супутника Юпітера, Іо. Однак, навіть за найсприятливіших умов, роздільна здатність зображень зважаючи на особливості камери Юнони, буде мізерно малою: якщо Іо буде знаходитися прямо над Юноною, на відстані близько 345 тис. км, то роздільна здатність зображень складе всього лише 232 км на піскель або близько 16 пікселів в поперечнику. Зображення інших супутників будуть ще менш чіткими[3]. В той же час, науковий інтерес становлять лише знімки, які матимуть роздільну здатність від кількох кілометрів до декількох метрів на піксель (наприклад, максимальна деталізація зображень камери «Галілео» при зйомці поверхні Європи склала 6 м на піксель).

Сценарій місії[ред.ред. код]

Фаза міжпланетного перельоту[4]

  • Вересень 2022 — запуск (резервні запуски — 2023 і 2024 роки, в цьому випадку переліт займе 9 років).

Фаза Jupiter Tour

  • Січень 2030 — прибуття в систему Юпітера (датування тут і далі — з урахуванням вибору Аріан 5 як ракети-носія). До грудня 2030 JUICE проведе на еліптичній орбіті за орбітою Ганімеда, таким чином уникнувши впливу радіаційних поясів. За цей період будуть проведені детальні дослідження внутрішньої магнітосфери Юпітера, а також спостереження за його атмосферою.
  • Лютий — березень 2031 — 2 обльоти Європи протягом 36 днів.
  • Квітень — жовтень 2031 — вивчення Юпітера. 9 обльотів Каллісто з метою вивчення внутрішньої структури, поверхні і екзосфери. Дистанційні спостереження Ганімеда, Європи, Іо і малих місяців Юпітера.
  • Листопад 2031 — серпень 2032 — вивчення взаємодії магнітних полів Ганімеда і Юпітера. Вивчення атмосфери і магнітосфери Юпітера.

Фаза Ganymede Tour

  • Вересень 2032 — жовтень 2032 — дослідження Ганімеда з еліптичною (200 × 10 000 км) орбітою (30 днів) на предмет встановлення минулого та існуючої активності.
  • Жовтень 2032 — січень 2033 — дослідження Ганімеда з висоти 5000 км (90 днів).
  • Січень — лютий 2033 — дослідження Ганімеда з еліптичною (200 × 10 000 км) орбітою (30 днів) на предмет його взаємодії з магнітосферою Юпітера.
  • Лютий — червень 2033 — дослідження Ганімеда з висоти 500 км (102 дня) на предмет вивчення структури крижаної кори і її можливої взаємодії з підповерхневим океаном.
  • Червень — липень 2033 — дослідження Ганімеда з висоти 200 км і завершення місії (30 днів). Якщо до цього часу JUICE буде нормально функціонувати, його місія буде подовжена. У цьому випадку продовжаться дослідження Ганімеда з висоти 200 км. За виснаженням ресурсів апарату, він буде зведений з орбіти і вріжеться в поверхню Ганімеда.

Наукові цілі[ред.ред. код]

JUICE охарактеризує Європу, Ганімед і Каллісто з точки зору їх внутрішньої будови, складу і геологічної активності, визначить області з підповерхневими океанами і розширить наші знання щодо можливої населеності цих світів. JUICE зробить вимірювання товщини крижаної кірки Європи і визначить місце для майбутніх досліджень. Місія передбачає також вивчення самого Юпітера і взаємодію галілеєвих супутників з газовим гігантом. Юпітер є архетипом планет-гігантів, які в безлічі були виявлені навколо інших зірок. Місія JUICE дозволить краще розуміти потенціал газових гігантів і їх супутників для існування життя. Загальний час досліджень — 3,5 роки.

Ганімед[ред.ред. код]

Більшу частину своєї місії JUICE буде досліджувати Ганімед. Ганімед, насамперед, цікавий тим, що є єдиним супутником у Сонячній системі, який генерує власне магнітне поле. Крім того, існує гіпотеза про наявність на ньому подповерхневоного океану рідкої води. Загальний час близьких досліджень — 280 днів, протягом яких JUICE здійснить безліч обльотів супутника на різній висоті. Буде складена глобальна карта супутника з роздільною здатністю 400 м на піксель. Зйомка найцікавіших об'єктів буде проведена з роздільною здатністю до декількох метрів на піксель.

Цільові наукові дослідження Ганімеда наступні:

  • Характеристика подповерхневого океану і виявлення передбачуваних підземних водойм. За деякими моделями, якщо під крижаною корою знаходиться океан рідкої води, то висота припливу складе близько 7 м, в іншому випадку всього 0,5 м. Вимірювання припливів дозволить оцінити обсяги рідкої фази під поверхнею.
  • Топографічне, геологічне і композиційне картографування поверхні. Знімки високої роздільної здатності Ганімеда є лише для небагатьох районів, глобальні ж карти побудовані по зображеннях низької роздільної здатності. На основі алтіметріі (вимірювання висот) поверхні супутника і глобальних спектральних вимірювань з орбіти, будуть побудовані геологічні карти.
  • Вивчення фізичних властивостей крижаної кори. Поверхня Ганімеда складається, в основному, з водяного льоду (за різними оцінками, від 50 до 90 %), а також «сухого льоду» (замороженої вуглекислоти, однак, вона є не у всіх районах; немає її, зокрема, на полюсах); інших газів (двоокису сірки, аміаку), гідратованих мінералів, а також поки не ідентифікованих речовин — можливо, органічних, як, наприклад, Фоліна. Якщо вдасться ототожнити ці «непізнані» речовини з органікою, то виникає цікаве питання — чи були вони принесені ззовні, наприклад, метеоритами, або потрапили на поверхню зсередини, з надр Ганімеда? Відповідь на нього прямо впливає на наше розуміння того, чи могло на цьому небесному тілі зародитися життя.
  • Характеристика внутрішньої будови.
  • Дослідження екзосфери, що складається з молекулярного і атомарного водню, такого ж кисню і води. Акцент у цих дослідженнях буде зроблений на розуміння походження екзосфери і відповідь на питання чи поповнюють її частки поверхні або вона утворюється в результаті викиду речовини з-під поверхні.
  • Вивчення власного магнітного поля Ганімеда і його взаємодії з магнітосферою Юпітера. В результаті складання трьох компонентів: власного, і досить потужного, магнітного поля супутника, магнітного поля, індукованого наведеними зарядами внаслідок змін магнітного поля Юпітера, і власного магнітного поля планети-гіганта — утворюється дуже складна система, яка почасти нагадує земну, але й відмінна від неї за низкою параметрів.

Калісто[ред.ред. код]

Близьке дослідження Каллісто триватиме 200 днів, загальне — 2 роки, протягом яких JUICE здійснить 12 витків навколо супутника.

Цільові наукові дослідження Каллісто наступні:

  • Характеристика зовнішніх оболонок, включаючи підповерхневий океан.
  • Визначення складу речовин, що не відносяться до льодового покриття.
  • Вивчення минулої активності.

Європа[ред.ред. код]

У зв'язку з відносно невисоким рівнем радіаційного захисту планується тільки 2 обльоти Європи на висоті 400—500 км від поверхні супутника (повноцінне вивчення цього супутника вимагало б від JUICE порядку 50-100 обльотів). Як об'єкти дослідження в період максимальних зближень зонда з поверхнею обрані Thera і Thrace Macula, а також Lenticulae. Тривалість детального вивчення Європи складе 36 днів, загальна — близько року (видалені дослідження). Акцент в дослідженні Європи буде зроблений не на пошук органіки, а на розуміння утворення крижаної кори супутника та її складу. JUICE буде першим земним апаратом, який здійснив сканування поверхні Європи та визначив як мінімальну товщину крижаної кірки під самими активними областями супутника, так і глибину океану під ними.

Цільові наукові дослідження Європи наступні:

  • Визначення складу речовин, що не відносяться до льодового покриття.
  • Дослідження водойм під найбільш активними місцями. Ці дослідження допоможуть з'ясувати, наскільки рідина океану Європи схожа за складом на земні океани.
  • Дослідження процесів, що відбувалися відносно недавно (вважається, що поверхня Європи дуже молода — вік не перевищує 180 млн років, а вік ополонок, які періодично з'являються на поверхні, не перевищує 50-100 тис. років). Також належить з'ясувати геологічну активність супутника.

Іо[ред.ред. код]

На відміну від попередника JUICE — апарату «Галілео» — дослідження Іо будуть вестися тільки дистанційно, з відстані не далі орбіти Європи. Це пов'язано з тим, що з метою збереження вартості місії в районі 1 млрд євро радіаційний захист зонда буде не в змозі забезпечувати захист електроніки поблизу Юпітера на необхідному рівні (з цієї ж причини заплановано тільки два обльоти Європи). Тим не менш, JUICE проведе дистанційні дослідження вулканічної активності супутника.

Юпітер[ред.ред. код]

Дослідження Юпітера:

  • Вивчення структури, складу та динаміки атмосфери.
  • Вивчення магнітосфери.
Ганімед (безліч обльотів)
Каллісто (12 обльотів)
Європа (два обльоти)
Юпітер (пролітна траєкторія)

Характеристики[ред.ред. код]

Ракета-носій[ред.ред. код]

Зонд JUICE буде виведений на орбіту європейської ракетою-носієм Аріан 5 або російською ракетою-носієм Протон-М. У разі затвердження Аріан 5 політ потребує EVEE-маневру (Земля-Венера-Земля-Земля) та забере 7,6 років.

Конструкція[ред.ред. код]

  • High-gain антена — від 3,2 м.
  • Обсяг переданих на Землю даних — не менше 1,4 Гбайт на день.
  • Джерело енергії — сонячні панелі площею від 60 до 75 м² з вироблюваною енергією 46 Вт/м². Рішення використовувати сонячні панелі замість радіоізотопних джерел енергії продиктовано не стільки фінансовою стороною питання (панелі значно дешевше, хоча їх ефективність на орбіті Юпітера в 25 разів менше, ніж на земний), скільки достатньою для нормального функціонування панелей віддаленістю Ганімеда від радіаційних поясів Юпітера.
  • Вага апарату при запуску — 1800 кг.
  • Паливо — 2900 кг.
  • Головний двигун: тяга — 424 Н, питомий імпульс — 321 с. Малі двигуни — 8 штук з тягою 22 Н кожен.
  • Флеш-пам'ять — 48 Гбайт — 1 Тбайт.
  • Станом на листопад 2011 року є певні труднощі в забезпеченні захисту майбутнього КА від радіації. Передбачувана маса захисту — від 155 до 172 кг, алюмінієвий сплав. Майже 60 % від загальної дози опромінення будуть отримані під час вивчення Ганімеда, близько 25 % — протягом двох обльотів Європи і близько 9 % — протягом всіх обльотів Каллісто. Частина опромінення, яка залишилася, буде отримана апаратом під час дослідження системи Юпітера. Загальний вплив низьких енергій на зонд за номінальний період місії можна порівняти з впливом низьких енергій за 10-15 років роботи апаратів, що функціонують на геостаціонарній орбіті. Також при розробці радіаційного захисту JUICE будуть враховуватися дані про радіаційний фон Юпітера, які будуть отримані зондом «Юнона» в 2016 році.

Наукова апаратура[ред.ред. код]

JUICE матиме 11 наукових приладів загальною масою 104 кг. У створенні візьмуть участь вчені з 15 європейських країн, а також із США, Японії та Росії. Лабораторія реактивного руху НАСА (JPL) розробить апаратуру для прийому і передачі сигналу радара на Землю.

Інструменти дистанційного зондування:

  • Вузькокутова камера (NAC, роздільна здатність: 1024 × 1024 пікселів).
  • Ширококутова камера (WAC, роздільна здатність: 1024 × 1024 пікселів).
  • Moons and Jupiter Imaging Spectrometer (MAJIS). Країна-розробник: Франція. Вага: 26,1 кг.
  • UV Imaging Spectrograph (UVS). Цей прилад дозволить вивчити взаємодію атмосфер і поверхонь лун з Юпітером. Прилад також дозволить визначити як верхній шар атмосфери Юпітера взаємодіє з нижнім, а також з іоносферою і магнітосферою. Прилад дозволить отримати зображення полярних сяйв Юпітера і Ганімеда. Країна-розробник: США. Вага: 7,4 кг.
  • Sub-millimetre Wave Instrument (SWI, субміліметровий спектрометр). Цей прилад дозволить дослідити структуру, склад і динаміку середньої атмосфери Юпітера і екзосфер його лун, а також теплофізичні властивості поверхонь супутників. Країна-розробник: Німеччина, Росія. Вага: 12 кг. Один з елементів інструменту SWI — терагерцевий гетеродинний детектор — буде створено в лабораторії терагерцевої спектроскопії Московського фізико-технічного інституту (МФТІ) під керівництвом Бориса Горшунова у співпраці з «мегагрантовською» лабораторією інфрачервоної спектроскопії Володимира Краснопольського. Тільки за допомогою терагерцового гетеродинного детектора виявляється можливим встановити безпосередньо швидкості потоків вітру в різних шарах атмосфери Юпітера. По-друге, за його допомогою можна, не проникаючи під багатокілометрову товщу льоду Європи та Ганімеда, дізнатися склад їх океанів — за прониклими через розломи у крижаній корі у відкритий космос летючими речовинами, гранично малі концентрації яких здатний детектувати прилад[5].

Інструменти для дослідження магнітосфер Юпітера і Ганімеда:

  • Magnetometer for JUICE (J-MAG). Країна-розробник: Велика Британія. Вага: 2,9 кг.
  • Particle Environment Package (PEP). Країна-розробник: Швеція. Вага: 19,5 кг.
  • Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI). Країна-розробник: Швеція. Вага: 11,8 кг.

Інструменти для дослідження фізичної структури лун під час близьких обльотів:

  • Ganymede Laser Altimeter (GALA). Лазерний алтіметр дозволить отримати дані про топографію, форми і деформації крижаних поверхонь місяців Юпітера, викликаних приливними силами. Він також буде відігравати важливу роль при формуванні орбіти зонда в гравітаційних полях лун. Країна-розробник: Німеччина. Вага: 15,2 кг.
  • Radar for Icy Moons Exploration (RIME). Цей прилад з 16-м антеною дозволить просканувати поверхню лун на глибину до 9 км. Країна-розробник: Італія. Вага: 11,7 кг.
  • Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons (3GM). Цей прилад дозволить охарактеризувати внутрішню структуру і підповерхневі океани Ганімеда, Каллісто і, можливо, Європи. Країна-розробник: Італія. Вага: 6,8 кг.

Схожі місії[ред.ред. код]

Сучасне покоління АМС, призначених для дослідження системи Юпітера з прибуттям в кінці 2020-х рр., складається з апаратів європейського, російського і американського космічних агентств. Це JUICE (ЄКА), Лаплас-П (Роскосмос) і ще не затверджений Europa Clipper (НАСА). Успіх цих місій забезпечить майбутній розвиток апаратів для спуску на поверхню галілеєвих супутників в 2030-х і/або 2040-х рр.

Europa Clipper (НАСА)[ред.ред. код]

Докладніше: Europa Clipper

Проект НАСА для дослідження Європи, що з'явився відразу після виходу США з міжнародної програми Europa Jupiter System Mission та скасування місії Jupiter Europa Orbiter. Оптимальна дата для запуску апарата — 21 листопада 2021. У цьому випадку зонд досягне системи Юпітера через шість років, а безпосередні дослідження Європи почнуться 4 квітня 2028[6].

Місія Europa Clipper, у разі її затвердження, буде вигідно відрізнятися від місії JUICE в частині дослідження Європи: номінальний гарантований період працездатності зонда в районі Європи складе не менше 109 днів (проти 36 днів у JUICE). Загальний час досліджень Європи складе 3,5 року (проти 1 року у JUICE), за які зонд зробить 45 обльотів супутника (проти 2 обльотів у JUICE) на висоті від 2700 до 25 км. Під час найближчого зближення зонда з поверхнею (25 км від замороженої поверхні супутника проти 400—500 км у JUICE) у радара будуть максимальні шанси визначити товщину крижаної кори Європи і глибину лежачого під нею водного океану (а при найбільш сприятливому збігу обставин — навіть його солоність). Протягом номінальної місії Clipper передасть терабіт даних, включаючи зображення високої роздільної здатності з деталізацією аж до 0,5 м на піксель, дані радіолокаційного зондування та спектри поверхні, а також вимірювання магнітного поля. За отриманими в ході місії результатами буде визначено місце посадки апарату в складі наступної місії.

Лаплас — П (Роскосмос)[ред.ред. код]

Докладніше: Лаплас - Європа П

Роскосмос планує в 2023 році направити для вивчення Ганімеда два зонди — орбітальний і посадковий. Станом на початок березня 2013 обговорюється інтеграція місій «Лаплас-П» і JUICE.

Цікаві факти[ред.ред. код]

Приблизно за 10 років до прибуття JUICE в систему Юпітера в лад буде введений Тридцятиметровий телескоп, який зможе отримувати зображення з такою ж деталізацією, як у «Галілео» (35 кілометрів на піксель; в 10 разів краще телескопа Хаббла)[7][8]. Європейський надзвичайно великий телескоп, який буде введений в дію також близько 2020 року і мати діаметр дзеркала 39 метрів, зможе отримувати зображення з роздільною здатністю приблизно 25 км на піксель (в 15 разів краще телескопа Хаббла).

Див. також[ред.ред. код]

Європейське космічне агентство

Примітки[ред.ред. код]