Intensywne promieniowanie wokół Jowisza ukształtowało każdy aspekt misji Juno, zwłaszcza jej orbitę. Dane pokazują, że istnieje luka między pasami promieniowania otaczającymi Jowisza a szczytami chmur Jowisza. Juno będzie musiał „nawlec igłę” i przejść przez tę szczelinę, aby zminimalizować narażenie na promieniowanie i osiągnąć swoje naukowe cele. Na złożoność misji Juno składa się fakt, że konstrukcja statku kosmicznego, cele naukowe i wymagania orbitalne kształtują się nawzajem.
Nie byłem pewien, od jakiego pytania zacząć ten wywiad: W jaki sposób warunki wokół Jowisza, a zwłaszcza jego ekstremalne promieniowanie, ukształtowały orbitę Juno? Lub w jaki sposób orbita niezbędna do przetrwania ekstremalnego promieniowania Jowisza przez Juno ukształtowała cele naukowe Juno? Lub w końcu, w jaki sposób cele naukowe ukształtowały orbitę Juno?
Scott Bolton, główny badacz NASA dla misji Juno do Jowisza. Źródło zdjęcia: NASA
Jak widać, misja Juno wydaje się trochę gordyjskim węzłem. Jestem pewien, że wszystkie trzy pytania musiały być zadawane kilka razy i odpowiadały na nie, a odpowiedzi kształtowały pozostałe pytania. Aby pomóc w rozwiązaniu tego węzła, rozmawiałem z Scottem Boltonem, głównym badaczem NASA w misji Juno. Jako osoba odpowiedzialna za całą misję Juno, Scott doskonale rozumie cele naukowe Juno, projekt Juno i ścieżkę orbitalną, którą Juno podąży wokół Jowisza.
NA PRZYKŁAD: Cześć Scott. Dzięki za poświęcenie czasu na rozmowę ze mną dzisiaj. Promieniowanie Jowisza jest dużym zagrożeniem, z którym musi się zmagać Juno, a tytanowe sklepienie Juno ma na celu ochronę elektroniki Juno. Ale orbita Juno jest częściowo kształtowana przez promieniowanie wokół Jowisza. Jak promieniowanie wokół Jowisza ukształtowało orbitę Juno?
„… Wiedzieliśmy, że region wokół Jowisza jest naprawdę zły, niebezpieczny i surowy z promieniowaniem…”
SB: Cóż, ograniczyło to nasze wybory, powiedzmy. Orbita Juno została wybrana przez połączenie możliwości pomiarów naukowych, które wymagały pewnego rodzaju geometrii lub położenia statku kosmicznego, oraz faktu, że musieliśmy unikać najlepiej, jak tylko mogliśmy, najbardziej niebezpiecznego regionu, w zasadzie Układ Słoneczny. To wymagało od nas bycia bardzo blisko Jowisza i orientacji biegunowej. Przechodzimy przez bieguny Jowisza. Wiedzieliśmy, że region wokół Jowisza jest naprawdę zły, niebezpieczny i ostry pod wpływem promieniowania, ale nigdy też tam nie pojechaliśmy ze statkiem kosmicznym. Nie jesteśmy więc do końca pewni, jak ciężki jest on lub jak dokładnie jest ukształtowany. Mamy tylko kilka pomysłów.
Ale dzięki analogiom z Ziemią i modelowaniu byliśmy w stanie znaleźć sposób na osiągnięcie zamierzonych celów naukowych i wciąż trzymać się z dala od najgorszych regionów. Juno wchodzi nad biegunami i zanurzy się bardzo blisko Jowisza w sposób, który naszym zdaniem będzie między pasami promieniowania a samą atmosferą Jowisza.
Na Ziemi jest małe okno między naszymi własnymi pasami radiacyjnymi - które nie są tak niebezpieczne jak Jowisz, ale mają podobny kształt - i atmosferę Ziemi. Jest tam luka i mamy dowody na to, że jest także luka w Jowiszu, i my nawlekamy tę igłę.
NA PRZYKŁAD: Skąd wzięły się dowody tej luki, oprócz patrzenia na ziemskie pasy Van Allena? Czy były obserwacje któregokolwiek z obserwatoriów NASA, które wykazały, że wokół Jowisza będzie podobna luka?
SB: Użyliśmy radioteleskopów, takich jak VLS (Very Large Array) i innych radioteleskopów na całym świecie, które mogą patrzeć na Jowisza, a przy określonych częstotliwościach widzą tak zwane promieniowanie synchrotronowe. Promieniowanie synchrotronowe to elektrony o bardzo wysokiej energii, które poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i wydzielają emisje radiowe. Oddają go w bardzo specyficznej geometrii opartej na fizyce relatywistycznej. Widzimy to i mówi nam coś o tym, jak kształtuje się promieniowanie i jak rozkład populacji elektronów wysokoenergetycznych. Jest to stosowane w modelach i jesteśmy w stanie wskazać, że powinna istnieć odrobina szczeliny, częściowo dlatego, że kiedy patrzymy na to promieniowanie, wygląda na to, że wyrywa się, gdy zbliża się bardzo blisko Jowisza. Ale mamy ograniczoną rozdzielczość, więc chociaż istnieje oznaka, że istnieje przerwa między Jowiszem a jego pasami radiacyjnymi, nie ma pozytywnego dowodu.
NA PRZYKŁAD: Czy więc sam Juno będzie pozytywnym dowodem na istnienie luki między Jowiszem a jego pasami radiacyjnymi?
SB: Tak. A potem mamy jeszcze jeden pomiar, który pomaga nam to zrozumieć. Sonda Galileo, która krążyła wokół Jowisza w połowie lat 90., zawierała sondę, która trafiła w atmosferę Jowisza, aby dowiedzieć się, z czego została wykonana. Ta sonda wykonała pewne pomiary za pomocą bardzo prymitywnych instrumentów, prawie jak liczniki Geigera, a dane z tych pomiarów wskazały szczyt promieniowania, a następnie szczelinę blisko Jowisza. To dało nam dalsze dowody na istnienie luki. Chociaż jest to bardzo ograniczony zestaw danych, jest zgodny z modelami z radioteleskopów.
NA PRZYKŁAD: Musiałeś mieć na uwadze pewne cele naukowe dla misji Juno, więc w jaki sposób to zrozumienie pasów promieniowania Jowisza i orbity wymaganej do ich uniknięcia, ukształtowało cele naukowe misji Juno? Czy wymusiło to porzucenie jakichkolwiek celów?
„W rzeczywistości to cele naukowe zasadniczo napędzały orbitę”.
SB: Nie, wcale nie. W rzeczywistości to cele naukowe zasadniczo napędzały orbitę. To sprawiło, że chcieliśmy być naprawdę blisko. Pytanie brzmiało: jak blisko możemy się zbliżyć, to jest bezpieczne i ile razy możemy orbitować? Powiedziałbym więc, że to, co robi promieniowanie, nie zmienia naszej orbity tak bardzo, jak ogranicza liczbę razy, kiedy możemy orbitować. Mieliśmy więc ograniczony czas życia i z powodu tego ograniczonego czasu życia weszliśmy na orbitę, która pozwoliła nam jak najszybciej zmapować planetę. Chcemy latać bardzo blisko niej, na wielu różnych długościach równomiernie rozmieszczonych.
Cele naukowe i ograniczenia pasów radiacyjnych mówiły nam, że Juno przetrwa tak długo, więc musisz zrobić mapę w ograniczonym czasie. Jest więc trochę kompromisu. Być może istniał sposób, aby chronić Juno dłużej za pomocą większej ilości tytanu, więcej ekranowania, aby trwać trochę dłużej, ale na koniec robi się tak źle, że nie jestem pewien, czy chronilibyśmy go dłużej, aby trwał dłużej.
„Gdybym był w stanie włożyć wystarczającą ilość paliwa na pokład, mógłbym zmienić orbitę w środku misji…”
NA PRZYKŁAD: Chyba malejące zyski?
SB: Dobrze. Tak więc ograniczenia inżynierii i praktyczność tego, co możemy uruchomić na rakiecie, naprawdę nas ograniczają. Gdybym był w stanie włożyć wystarczającą ilość paliwa na pokład, mógłbym zmienić orbitę w środku misji, abyśmy mogli dłużej. Wymagałoby to jednak ogromnej ilości paliwa. Kiedy zbliżasz się do Jowisza, nie jest on idealnie symetryczny, więc zaczyna zmieniać kształt orbity Juno.
NA PRZYKŁAD: Musisz więc wprowadzić poprawki, aby utrzymać orbitę?
SB: Tak, ale nie możemy. Nie mamy wystarczającej ilości paliwa, aby zrobić coś takiego, więc musisz żyć z tym, co Jowisz robi na orbicie. Zaczyna się więc kręcić wokół orbity i za każdym razem, gdy przechodzimy obok Jowisza, zaczyna się nieco bardziej kręcić. Używamy tego trochę naukowo, ale w rzeczywistości jest to po prostu coś, z czym musimy żyć. W pierwszej połowie misji, jeśli tryby są prawidłowe, nie będziemy musieli radzić sobie z maksymalną ilością promieniowania, ale w drugiej połowie misji zaczyna się pogarszać. Na początku nie możemy uniknąć pasów radiacyjnych tak bardzo, jak to możliwe. Zasadniczo to ogranicza czas życia misji Juno.
NA PRZYKŁAD: Więc Jowisz ciągle wpływa na orbitę Juno, a ty masz ograniczoną zdolność radzenia sobie z tym?
SB: To jest poprawne. To dlatego, że Jowisz nie jest idealną kulą.
NA PRZYKŁAD: A jednym z celów jest odwzorowanie grawitacji Jowisza?
SB: Tak, aby dowiedzieć się, jak dokładnie jest niedoskonała sfera [śmiech], a następnie dowiedzieć się z niej, jaka jest jej struktura wewnętrzna, a co za tym idzie, jak się uformowała.
NA PRZYKŁAD: To dobry moment, aby zapytać, jaki jest kształt orbity Juno? Jak blisko będzie Jowisza i jak daleko będzie się zbliżał na swojej orbicie?
„… Jesteśmy w pobliżu księżyców zewnętrznych, w pobliżu Callisto lub czegoś podobnego”.
SB: Jest to elipsa, jak większość orbit, a jej najbliższy punkt podejścia znajduje się około 5000 km (3100 mil) ponad szczytami chmur i to się nazywa peryferyjną. Z drugiej strony jesteśmy w pobliżu zewnętrznych księżyców, w pobliżu Callisto lub czegoś podobnego.
NA PRZYKŁAD: A więc dość daleko.
SB: Tak, jest dość daleko. Ukończenie orbity zajmie około 14 dni. A potem druga orientacja jest tuż nad biegunami. Tuż nad biegunem północnym i południowym. Ale nie wchodzimy natychmiast na tę orbitę. Najpierw musimy wystrzelić nasze rakiety i dostać się na znacznie większą orbitę, która zajmuje około 53 dni, a odległość, którą oddalamy od Jowisza jest znacznie większa. W ciągu pierwszych kilku miesięcy mamy wystarczającą ilość paliwa, aby zmodyfikować orbitę, aby uzyskać to, czego w końcu chcemy, a to zajmuje kilka miesięcy.
NA PRZYKŁAD:Tak więc Juno jest zasilany energią słoneczną, inną niż paliwo do zmiany orbity. Musisz pozostać na słońcu, więc musiało to być dodatkowe zadanie przy projektowaniu orbity?
„… Ogólnie rzecz biorąc, unikamy cieni i okultyzmu Jowisza.”
SB: Tak, to było dodatkowe ograniczenie w tym sensie, że chcę uniknąć wchodzenia w cień Jowisza. Chcę, aby panele słoneczne zawsze widziały słońce. Bez tego możemy spędzać krótkie okresy, ale generalnie unikamy cieni lub okultyzmu Jowisza.
NA PRZYKŁAD: Czy to jeden z powodów, dla których orbita zabiera cię tak daleko od Jowisza? Aby uniknąć wejścia w cień Jowisza?
SB: Tak to prawda. Chociaż możesz tego uniknąć, nawet jeśli jesteś tak blisko, jeśli krążysz na boki. Nie muszę iść za Jowiszem, nawet jeśli orbita jest niewielka. Ale musisz to wszystko obliczyć i upewnić się.
NA PRZYKŁAD: Czy wszystkie instrumenty Juno będą aktywne na wszystkich orbitach? A może niektóre orbity są przeznaczone dla niektórych czujników i instrumentów?
SB: Ogólnie wszystkie instrumenty są aktywne. Ale mamy orbity, które koncentrują się na pewnych rzeczach w oparciu o wymagania wskazujące. Na przykład pomiar grawitacji. Kiedy chcemy zmierzyć pole grawitacyjne, musimy upewnić się, że antena jest skierowana jak najbardziej na Ziemię. W ten sposób mierzysz pole grawitacyjne, patrzysz na sygnał, który Juno wysyła z powrotem na Ziemię, i mierzysz przesunięcie Dopplera sygnału radiowego, a to mówi ci, jak pole grawitacyjne pchnęło i pociągało Juno.
Kiedy nie mierzymy pola grawitacyjnego, mamy inne przyrządy, które wolałyby wskazywać bezpośrednio na Jowisza. Nadal mogą pobierać dane podczas pomiaru pola grawitacyjnego, ale lepiej, jeśli wskazują bezpośrednio na Jowisza. Możemy to tolerować, ponieważ ponieważ układy słoneczne wciąż są skierowane na słońce, i nadal możemy komunikować się ze statkiem kosmicznym, po prostu nie możemy uzyskać pełnego pomiaru pola grawitacyjnego.
„… Na samym końcu misji ogniwa słoneczne nie powinny działać tak dobrze, jak na początku.”
Mamy więc orbity poświęcone tej geometrii. Oczywiście, kiedy poświęcamy się temu, kiedyś mogliśmy po prostu wyłączyć system grawitacyjny, jeśli go nie używaliśmy. Ale myślę, że nasze szacunki są teraz, gdy nasza moc jest wystarczająca, abyśmy mogli być w stanie utrzymać je oba jednocześnie. Bez względu na to, czy to robimy, nie jest to wymagane, ale na samym końcu misji ogniwa słoneczne nie powinny działać tak dobrze, jak na początku.
NA PRZYKŁAD: To z powodu promieniowania? Z tego samego powodu, dla którego elektronika jest wrażliwa, ogniwa słoneczne z czasem ulegną degradacji?
SB: Zgadza się. Mamy je więc chronione, ale nie wiemy, jak dobrze to zadziała. Nie mamy tego w planach, ale możemy to pogodzić z pomysłem, że pod koniec misji, jeśli nie będziemy mieć wystarczającej mocy, aby uruchomić wszystko, możemy zacząć wyłączać niektóre instrumenty, które mają zrobiliśmy większość nauki, którą chcieliśmy. Możemy po kolei zmieniać, które instrumenty są włączone, a które nie.
NA PRZYKŁAD: Czyli daje to pewną elastyczność misji, jeśli promieniowanie jest silniejsze niż sugeruje to modelowanie? Będziesz miał trochę elastyczności, aby ustalać priorytety pod koniec?
SB: To jest poprawne. W tej chwili nasze modele sugerują, że nie będziemy musieli tego robić, ale w razie potrzeby jesteśmy w stanie obrócić to pokrętło.
NA PRZYKŁAD: Zastanawiam się nad szczegółowym modelowaniem, które wykonałeś dla promieniowania Jowisza i misji Juno, i szukam informacji dostępnych na stronach internetowych NASA i innych źródłach. Sugeruje się, że nie oczekuje się, że wszystkie instrumenty Juno przetrwają 33 orbity, prawda? Czy istnieje najlepszy scenariusz przetrwania instrumentu? Czytałem, że JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) i może Junocam może trwać tylko do 8 orbity, a radiometr mikrofalowy może trwać tylko do orbity 11. Czy to najlepszy scenariusz? A może środek modelu drogi, w którym śledzisz te liczby orbit?
SB: Mamy nadzieję, że to najgorszy scenariusz. Zostały zaprojektowane tak, aby przetrwać z 2-krotnym marginesem promieniowania. To prawdopodobnie trochę więcej niż dwa razy. Powinni więc móc to zrobić bez problemu. Byłoby zaskoczeniem, gdyby nie trwały tak długo. Oczekujemy, że prawdopodobnie dotrą do końca misji. Ale nie liczę na to i nie wymagam tego. Wynika to z faktu, że kilka z tych instrumentów nie ma elektroniki w skarbcu <titanium>.
NA PRZYKŁAD: Czy to dlatego, że nie wymagają, aby wszystkie 33 orbity wypełniały swoją misję? Czy priorytetowo instrumenty znajdują się w skarbcu tytanu na podstawie liczby orbit potrzebnych do wykonania misji?
„W skarbcu z całą elektroniką może być dość ciepłe miejsce, a niektóre instrumenty są nieco lepsze, gdy jest zimno”.
SB: Zgadza się. Tak właśnie dokonaliśmy wyboru. Najwyraźniej potrzebowali ochrony przed promieniowaniem Jowisza, więc wokół nich są małe pudełka, ale nie tak jak gigantyczne sklepienie. Istnieje również kilka innych powodów, dla których nie ma ich w skarbcu. Wyprowadzenie ich ma pewne zalety. W skarbcu z całą elektroniką może być dość ciepłe miejsce, a niektóre instrumenty są nieco lepsze, gdy jest zimno. Istnieją więc różne transakcje. Ale dobrze to scharakteryzowałeś w tym sensie, że nie jesteśmy zobowiązani do realizacji celów naukowych, aby przetrwały całą misję. Ale oczekuję, że będą korzyści, jeśli będą trwać dłużej, więc mamy nadzieję, że kiedy je zaprojektujemy, będą trwać dłużej.
NA PRZYKŁAD: Scott, jaki masz oficjalny tytuł w NASA?
SB: Oficjalnie nazywa się to Principal Investigator. Jestem więc głównym badaczem misji Juno. To oficjalny tytuł, który znaczy tylko coś dla ludzi z NASA.
NA PRZYKŁAD: Czyli zajmujesz się projektowaniem misji od samego początku Juno?
SB: O tak. W pewnym sensie stworzyłem całość lub cały proces. Tym, co oznacza główny badacz dla przeciętnego człowieka, jestem odpowiedzialny za Juno. Za wszystko i wszystko, co związane z Juno, jestem odpowiedzialny za jego sukces. Niezależnie od tego, czy jest to projekt, inżynieria, nauka, budowanie go na czas, wydawanie zbyt dużej ilości pieniędzy, harmonogram, itp. Innym sposobem jest powiedzenie, że jeśli coś pójdzie nie tak, to ja jestem obwiniony [śmiech].
NA PRZYKŁAD: Cóż, myślę, że wiele z tego pójdzie dobrze [śmiech]. Tak więc, podobnie jak ja, musicie dość niecierpliwie oczekiwać przybycia Juno do Jowisza. Jaka jest najbardziej interesująca i ekscytująca część misji Juno, gdybyś musiał wybrać jedną rzecz? Jestem pewien, że odpowiedź jest prawie niemożliwa. A co może być dla ciebie niespodzianką? Kiedy patrzymy na przybycie Nowego Horyzontu do Plutona i zaskakujące rzeczy, które tam znaleźliśmy, lub Cassini znajdujące lodowe gejzery, zawsze wydaje się, że czeka nas niespodzianka. Jak myślisz, co jest najbardziej ekscytujące w Juno lub jakie może być zaskakujące odkrycie?
„… Ekscytującą częścią Juno jest to, że wybieramy się gdzieś, gdzie nikt wcześniej nie był.”
SB: Z definicji zaskoczenia nie mogę się domyślić. Żadnej z tych rzeczy nie można było się spodziewać, dlatego były niespodziankami. Ale wiesz, ekscytującą częścią Juno jest to, że wybieramy się gdzieś, gdzie nikt wcześniej nie był. Wykonamy pomiary, których nigdy nie wykonano. Mamy instrumenty, które po prostu nigdy wcześniej nie były tworzone, nie mówiąc już o wprowadzeniu ich w tę wyjątkową geometrię orbitalną, w której można dokonywać specjalnych pomiarów. Myślę więc, że oczekiwanie na naukę czegoś zupełnie nowego, co nas zaskoczy, jest ekscytującą częścią.
Czego naprawdę się dowiemy, co zmieni nasze wyobrażenia o tym, skąd przyszliśmy i jak się tu dostaliśmy? Jaki naprawdę jest Jowisz? Jest tyle zagadek i jest to bardzo ważne. Nawet dzisiaj rzeczy, których dowiedzieliśmy się o naszym Układzie Słonecznym, oraz rzeczy, których dowiedzieliśmy się o innych Układach Słonecznych, gdy zaczęliśmy widzieć egzo-planety, sprawiły, że Jowisz był dla nas jeszcze ważniejszy. To naprawdę ma klucz i myślę, że ekscytujące jest to, że w końcu odblokujemy jedne z drzwi do tych tajemnic. Pomagamy utorować drogę przyszłym misjom, aby dowiedzieć się więcej.
Inną rzeczą, która wydaje mi się ekscytująca, jest to, że nazywam się Głównym Badaczem, a jeśli zapytasz NASA, co to znaczy, a oni powiedzą, że jestem odpowiedzialny za wszystko, prawda jest taka, że to nie jest jedna osoba. To ogromny zespół, który to sprawił. Pomogło to zaprojektować, stworzyło sposób na zrobienie tego, zrozumienie ograniczeń, zrozumienie, w jaki sposób może on działać, zrozumienie technologii potrzebnych do jego realizacji, i że w zasadzie miał wizję, aby go stworzyć, i miał zdolność do jego wdrożenia i urzeczywistnienia tej wizji. Jestem podekscytowany, że należę do tego zespołu ludzi, którzy to osiągają, i że ten zespół jest właściwie tylko częścią naszego społeczeństwa i ludzkości, która stara się wszystko zrozumieć. Rzeczy takie jak to, jak pasujemy do natury i jak działa wszechświat. Po prostu jestem podekscytowany, że jestem częścią czegoś, co próbuje zrobić coś takiego.
NA PRZYKŁAD: Jest niesamowity i całkowicie zgadzam się z twoimi słowami i uważam, że jest ekscytujący dla mnie i dla czytelników czasopisma Space Magazine. To wielka misja i nie możemy się doczekać, aż zaczniemy odzyskiwać wyniki. I trochę zdjęć. To bardzo ekscytujące.
SB: Ja też. [śmiech]
NA PRZYKŁAD: Dzięki za poświęcenie czasu na rozmowę ze mną dzisiaj Scott. Mam nadzieję, że możemy znowu porozmawiać. Wiem, że ludzie są żywo zainteresowani misją Juno.
SB: Nie ma za co. Miłego dnia.
