Юнона — автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная 5 августа 2011 года для исследования Юпитера и ставшая вторым проектом в рамках программы «Новые рубежи». Выход аппарата на полярную орбиту газового гиганта произошёл 5 июля 2016 года; «Юнона» стала вторым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту вокруг Юпитера, после «Галилео», находившегося на орбите вокруг газового гиганта с 1995 по 2003 год и первым аппаратом, вышедшим на его полярную орбиту.
Целью миссии является изучение гравитационного и магнитного полей планеты, а также проверка гипотезы о наличии у Юпитера твёрдого ядра. Кроме того, аппарат должен заняться исследованием атмосферы планеты — определением содержания в ней воды и аммиака, а также построением карты ветров, которые могут достигать скорости в 618 км/ч. «Юнона» также продолжила изучение районов южного и северного полюсов Юпитера, начатое АМС «Пионер-11» в 1974 году (северная полярная область) и АМС «Кассини» в 2000 (южная полярная область).
История и открытия аппарата
Запуск произведён 5 августа 2011 года. Для запуска использована ракета-носитель «Атлас-5» версии 551 c двигателем РД-180 российского производства. Время полёта к Юпитеру составило 4 года 11 месяцев. Дата выхода на орбиту — 5 июля 2016 года. Зонд планировалось направить по вытянутой полярной орбите с периодом обращения около 11 земных суток, с максимальным приближением к планете менее 5000 км; летом 2015 года были внесены коррективы: решено изменить орбиту так, чтобы один оборот вокруг Юпитера зонд совершал не за 11 земных суток, как предполагалось ранее, а за 14.«Юнона» вышла на орбиту Юпитера в 2016 году. Во время каждого из 37 пролетов космического корабля вокруг планеты специальный набор инструментов заглядывал под ее турбулентные облака. «Ранее «Юнона» удивляла нас намеками на то, что явления в атмосфере Юпитера пошли глубже, чем ожидалось», — сказал Скотт Болтон, главный исследователь «Юноны» из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио и ведущий автор статьи Journal Science о глубине вихрей Юпитера. «Теперь мы начинаем собирать все эти отдельные части вместе и получаем первое реальное понимание того, как работает красивая и жестокая атмосфера Юпитера — в 3D». Микроволновый радиометр Юноны (MWR) позволяет ученым миссии заглянуть под верхние слои облаков Юпитера и исследовать структуру его многочисленных вихревых бурь. Самый известный из этих штормов — культовый антициклон, известный как Большое Красное Пятно. Этот малиновый вихрь, который шире Земли, заинтриговал ученых с момента его открытия почти два века назад.
Новые результаты показывают, что циклоны теплее сверху, с более низкой плотностью атмосферы, а снизу они холоднее, с более высокой плотностью. Антициклоны, вращающиеся в противоположном направлении, холоднее вверху, но теплее внизу. Выводы также показывают, что эти штормы намного выше, чем ожидалось, причем некоторые простираются на 60 миль (100 километров) ниже вершин облаков, а другие, включая Большое Красное Пятно, простираются на 200 миль (350 километров). Это неожиданное открытие демонстрирует, что вихри покрывают области за пределами тех, где вода конденсируется и образуются облака, ниже глубины, где солнечный свет нагревает атмосферу. Высота и размер Большого Красного Пятна означают, что концентрация атмосферной массы внутри бури потенциально может быть обнаружена инструментами, изучающими гравитационное поле Юпитера. Два близких пролета «Юноны» над самой известной точкой Юпитера предоставили возможность найти гравитационный сигнатуру шторма и дополнить результаты MWR по его глубине. Когда «Юнона» летела низко над облачной поверхностью Юпитера со скоростью около 130 000 миль в час (209 000 км/ч), ученые «Юноны» смогли измерить изменения скорости всего на 0,01 миллиметра в секунду с помощью антенны слежения НАСА Deep Space Network с расстояния более 400 миллионов миль (650 км/ч). миллионов километров). Это позволило команде ограничить глубину Большого Красного Пятна примерно на 300 миль (500 километров) ниже вершин облаков. «Точность, необходимая для получения гравитационного поля Большого Красного Пятна во время пролета в июле 2019 года, ошеломляет», — сказала Марция Паризи, ученый Юноны из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и ведущий автор статьи в Journal Science о гравитационных облетах космической станции. Большое красное пятно. «Возможность дополнить данные MWR о глубине дает нам большую уверенность в том, что будущие гравитационные эксперименты на Юпитере дадут столь же интригующие результаты».
Помимо циклонов и антициклонов Юпитер известен своими характерными поясами и зонами — белыми и красноватыми полосами облаков, которые обвивают планету. Сильные восточно-западные ветры, движущиеся в противоположных направлениях, разделяют полосы. Юнона ранее обнаружила, что эти ветры или струйные течения достигают глубины около 2000 миль (примерно 3200 километров). Исследователи до сих пор пытаются разгадать тайну формирования струйных течений. Данные, собранные MWR Юноны во время нескольких проходов, дают одну возможную подсказку: газообразный аммиак в атмосфере перемещается вверх и вниз в соответствии с наблюдаемыми струйными течениями. «Следуя за аммиаком, мы обнаружили клетки циркуляции как в северном, так и в южном полушариях, которые по своей природе похожи на «клетки Феррела», которые контролируют большую часть нашего климата здесь, на Земле», — сказала Керен Дьюер, аспирант Института Вейцмана. наук в Израиле и ведущий автор статьи Journal Science о Феррел-подобных клетках на Юпитере. «В то время как у Земли есть одна клетка Феррела на полушарие, у Юпитера их восемь, каждая как минимум в 30 раз больше». Данные MWR Юноны также показывают, что пояса и зоны претерпевают переход примерно в 40 милях (65 км) под водяными облаками Юпитера. На малых глубинах пояса Юпитера ярче в микроволновом свете, чем зоны. Но на более глубоких уровнях, ниже водяных облаков, все наоборот, что обнаруживает сходство с нашими океанами. «Мы называем этот уровень «Йовиклин» по аналогии с переходным слоем, наблюдаемым в земных океанах, известным как термоклин, где морская вода резко переходит от относительно теплой к относительно холодной», — сказал Ли Флетчер, участвующий в программе Юнона ученый из Университета. из Лестера в Соединенном Королевстве и ведущий автор статьи в Журнале геофизических исследований: Планеты, в которой освещаются микроволновые наблюдения Юноны за умеренными поясами и зонами Юпитера.
Юнона ранее обнаружила многоугольные расположения гигантских циклонических штормов на обоих полюсах Юпитера — восемь в виде восьмиугольника на севере и пять в виде пятиугольника на юге. Теперь, пять лет спустя, ученые миссии, используя наблюдения прибора Юноны Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM), определили, что эти атмосферные явления чрезвычайно устойчивы, оставаясь в одном и том же месте. «Циклоны Юпитера влияют на движение друг друга, заставляя их колебаться вокруг положения равновесия», — сказал Алессандро Мура, соавтор Юноны из Национального института астрофизики в Риме и ведущий автор недавней статьи в Geophysical Research Letters об колебаниях и стабильности. в полярных циклонах Юпитера. «Поведение этих медленных колебаний предполагает, что они имеют глубокие корни». Данные JIRAM также указывают на то, что, подобно ураганам на Земле, эти циклоны стремятся двигаться к полюсу, но циклоны, расположенные в центре каждого полюса, отталкивают их назад. Этот баланс объясняет, где находятся циклоны и разные числа на каждом полюсе.
Устройство аппарата
«Юнона» является первой миссией к Юпитеру, использующей солнечные батареи вместо радиоизотопных термоэлектрических генераторов. При этом, находясь на орбите Юпитера, «Юнона» будет получать всего 4 % от того солнечного света, который аппарат мог бы получать на Земле, однако улучшения в технологии изготовления и эффективности батарей в течение последних десятилетий смогли позволить использовать солнечные батареи приемлемых размеров на расстоянии в 5 а.е. от Солнца.
«Юнона» использует три симметрично расположенных массива солнечных батарей. Каждый из этих массивов составляет 2,7 метра в ширину и 8,9 метра в длину. Один из массивов немного уже других, его ширина составляет 2,091 метра, что сделано для облегчения складывания батарей при старте. Общая площадь всех батарей — 60 м. Если бы батареи использовались на орбите Земли, они бы производили около 15 киловатт энергии. На орбите Юпитера мощность батарей составит всего 486 ватт, при этом со временем она уменьшится до 420 ватт из-за воздействия радиации. Солнечные батареи будут находиться на солнечном свету практически в течение всего полёта.
На борту также находятся два литий-ионных аккумулятора, предназначенные для питания аппарата во время прохождения в тени. Аккумуляторы будут заряжаться, когда будут доступны излишки энергии.
Приборы аппарата
Microwave Radiometer (MWR) — микроволновый радиометр; фиксирует излучение с длиной волны 1,3—50 сантиметров, состоит из шести отдельных радиометров; основная цель — исследование глубоких слоёв атмосферы Юпитера. Проникающая способность — 550 километров вглубь облаков планеты. MWR должен помочь ответить на вопрос о том, как формировался Юпитер, а также о том, насколько глубоко заходит циркуляция атмосферы, обнаруженная космическим аппаратом «Галилео». Радиометр исследует количество аммиака и воды в атмосфере.
Магнитометр Flux Gate Magnetometer (FGM) и прибор для регистрации положения относительно магнитного поля планеты — Advanced Stellar Compass (ASC).
Эти инструменты служат целям картирования магнитного поля и изучения динамики процессов в магнитосфере, а также определения трёхмерной структуры магнитосферы на полюсах Юпитера
Jovian Aurora Distribution Experiment (JADE) предназначен для исследования полярных сияний на Юпитере.
Energetic Particle Detector (JEDI) будет фиксировать распределение ионов водорода, гелия, кислорода, серы и других на полюсах.
WAVES — спектрометр для исследования областей полярных сияний.
UV spectrograph (UVS) — спектрограф ультрафиолетового излучения; будет фиксировать длину волны, положение и время для фотонов ультрафиолетового спектра; будет предоставлять спектрограмму ультрафиолетового излучения из областей полярного сияния
Gravity Science Experiment (GSE) — путём измерения гравитационного поля прибор построит карту распределения масс на Юпитере
JunoCam (JCM) — трёхцветная неподвижная видеокамера, единственная на зонде. Произведена по той же технологии, что и камера MARDI марсохода Кьюриосити, и имеет 2-МП сенсор (1600?1200 пикселей) Kodak KAI-2020. Камера спроектирована таким образом, что наиболее детализированные снимки будут получены лишь во время максимальных сближений зонда с планетой на высотах 1800—4300 км от облаков и будут иметь разрешение 3—15 км на пиксель (для сравнения: телескоп «Хаббл» с расстояния 600 млн км в 2009 году смог получить снимок планеты с разрешением 119 км на пиксель). Все остальные изображения будут иметь значительно более низкое разрешение, около 232 км на пиксель, поэтому возможности камеры не позволят снимать ей спутники Юпитера (в самой удалённой точке орбиты сам Юпитер при такой детализации будет иметь размер 75 пикселей в поперечнике, а Ио, даже если она будет находиться прямо над «Юноной», на расстоянии около 345 тыс. км, будет иметь размер около лишь 16 пикселей в поперечнике; изображения остальных спутников будут ещё менее чёткими). Кроме того, из-за телекоммуникационных ограничений «Юнона» сможет передавать на Землю лишь 40 Мбайт данных (от 10 до 1000 фотографий) из каждого 14-дневного орбитального периода. Предполагается, что прежде, чем радиация Юпитера выведет из строя электронику камеры, та за восемь витков аппарата вокруг планеты успеет сделать достаточное количество снимков
Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM) - это спектрометр изображения, предоставленный Италией. Основная цель JIRAM - исследовать верхние слои атмосферы Юпитера до давления 5–7 бар в инфракрасном диапазоне длин волн 2–5 мкм с использованием тепловизора и спектрометра. В частности, он был разработан для изучения динамики и химии атмосферы, возможно, для определения того, как образуются горячие точки атмосферы Юпитера.
Будущее аппарата
Планировалось, что в 2021 году аппарат будет сведён с орбиты и направлен в атмосферу газового гиганта, где сгорит. Сделано это будет для избежания столкновения в будущем с одним из галилеевых спутников Юпитера (где допускается возможность существования жизни, поэтому их загрязнение биологическим материалом с Земли нежелательно). Однако в октябре 2020 года на XI Московском международном симпозиуме по исследованиям Солнечной системы, который проходит в ИКИ РАН, руководитель миссии Юнона в НАСА Скотт Болтон сообщил, что аппарат находится в отличном состоянии, поэтому ученые хотят не уничтожать его, а продлить миссию до 2025 года, чтобы сфокусироваться на исследовании галилеевых спутников; планы по проведению миссии научная команда Юноны уже передала в НАСА, учёные ожидают, что их официально одобрят в декабре.
В рамках расширенной миссии аппарат должен будет совершить 44 дополнительных витка вокруг Юпитера. По мере каждого пролёта он будет постепенно сближаться с северным полюсом планеты благодаря гравитационным взаимодействиям между зондом, Юпитером и его спутниками. Сближение с полюсом и изменения в траектории движения помогут Юноне детально изучить трехмерную структуру полярных ураганов, а также измерить свойства ранее неизученных сегментов магнитосферы Юпитера. Благодаря этому же зонд совершит несколько сближений с Ганимедом, Европой и Ио. По расчетам специалистов НАСА, аппарат сблизится с Ганимедом на расстояние в тысячу километров, с Европой — на рекордно малые 320 километров, а с Ио — на 1,5 тыс. км. Ученые надеются, что благодаря этому Юнона откроет у спутников Юпитера множество новых свойств ещё до прибытия миссий JUICE и Europa Clipper. В частности, Болтон и его коллеги планируют измерить толщину ледового щита Европы, составить максимально детальную карту её поверхности с разрешением 100—200 км, а также сфотографируют выбросы её гейзеров, если они будут происходить в момент сближений аппарата со спутником. Аналогичным образом ученые надеются использовать сближения с Ио, чтобы определить, существует ли в её недрах единый расплавленный океан из магмы, а также изучить, как приливные силы, которые возникают в результате её взаимодействий с Юпитером и соседними объектами, разогревают и расплавляют недра этого небесного тела. Карты поверхности Ио и Европы планетологи сравнят с данными, которые получал предшественник Юноны — зонд «Галилео».
Было запланировано 2 облета Ганимеда, 3 — Европы и 11 — Ио; облетов Каллисто не планировалось
Интересные факты
Главный исследователь Юноны Скотт Болтон из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио представил 50-секундную звуковую дорожку, созданную на основе данных, собранных во время пролета аппарата вблизи спутника Юпитера Ганимеда 7 июня 2021 года. и магнитные радиоволны, производимые в магнитосфере Юпитера, собрали данные об этих излучениях. Затем их частота была смещена в звуковой диапазон для создания звуковой дорожки.
