Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 23 – vyšlo 2. srpna, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Čerstvý JUICE

Jiřina Scholtzová

Evropská kosmická agentura ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. má svůj velký kosmický projekt s hrdým označením L1. Písmenem L se označují rozsáhlé a drahé projekty ESA. Pro období 2015 až 2025 vybíral vědecký programový výbor ESA ze tří možností: laserové gravitační observatoře NGO (viz AB 19/2013), velké evropské mise k JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. JUICE a observatoře pro astrofyziku vysokých energií ATHENA. Dne 2. května 2012 byl k realizaci vybrán projekt JUICE (JUpiter ICy moons Explorer, průzkumník jupiterových ledových měsíců). Projekt je součástí plánu Cosmic Vision 2015–2025. Na vývoji se podílí týmy z Rakouska, Belgie, Finska, Francie, Německa, Maďarska, Irska, Itálie, Nizozemí, Polska, Španělska, Švédska, Švýcarska, Velké Británie, USA, Japonska a samozřejmě z České republiky.

Jupiter a jeho čtyři velké měsíce přitahují pozornost astronomů už od doby Galileo Galilea. Je pokládán za archetyp obřích planet v naší Sluneční soustavě, kolem kterých koluje mnoho měsíců a tvoří tak svou vlastní malou sluneční soustavu. Jupiter má přes 60 měsíců. V roce 1973 kolem Jupiteru prolétly americké sondy Pioneer a v roce 1979 ho zkoumala dvojice amerických sond Voyager. První sondou, která měla za úkol podrobný průzkum Jupiteru přímo z oběžné dráhy, byla v roce 1989 sonda Galileo americké NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.. Ta svou misi ukončila v roce 2003 a shořela v atmosféře Jupiteru. V současné době k Jupiteru míří další americká sonda JUNOJUNO – americká sonda určená k průzkumu polárních oblastí planety Jupiter. Odstartovala dne 5. srpna 2011, na oběžnou dráhu Jupiteru byla navedena v roce 2016. Sonda Juno zkoumá atmosféru a hledá v ní molekuly vody. Zaměřuje se i na rozsáhlou magnetosféru Jupiteru a její vliv na planetu., která k němu má dorazit v roce 2015. Sonda JUICE by měla americké mise doplňovat. Zaměří se na průzkum tří Jupiterových měsíců – Ganymeda, Europy a Callisto. Start sondy se plánuje na rok 2022.

Z výsledků dřívějších misí se zdá, že by pod ledovou krustou Europy, Ganymeda a Callisto mohly být podpovrchové oceány. Právě jejich výzkum bude jedním z cílů mise JUICE. Dlouho nebylo stanoveno, na který měsíc se sonda JUICE zaměří. Nakonec byl jako hlavní cíl mise vybrán Ganymed s několika přelety kolem Europy. Měsíce Europa i Ganymed se totiž zdají být vnitřně aktivní a mohly by poskytovat přijatelné podmínky pro život. Jejich hluboké oceány jsou chráněné před radiací ledovou krustou a zároveň je zevnitř zahřívají slapové sílySlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií..

Mise JUICE se kromě planety samotné zaměří na tři největší měsíce Jupiteru:
Ganymeda, Europu a Callisto. Zdroj: ESA.

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

JUICE – JUpiter ICy moons Explorer, průzkumník jupiterových ledových měsíců. Projekt ESA, který má za cíl studium ledových měsíců Jupiteru, zejména měsíce Ganymed, a i planety samotné. Start je plánován na duben 2024, sonda by měla k Jupiteru přilétnout v roce 2031. Délka základní mise se odhaduje na 11 let. Projekt byl schválen k realizaci v květnu 2012.

JUNO – americká sonda určená k průzkumu polárních oblastí planety Jupiter. Odstartovala dne 5. srpna 2011, na oběžnou dráhu Jupiteru byla navedena v roce 2016. Sonda Juno zkoumá atmosféru a hledá v ní molekuly vody. Zaměřuje se i na rozsáhlou magnetosféru Jupiteru a její vliv na planetu.

Jupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole.

Cíle mise

Hlavním cílem mise je zjistit, zda jsou na vybraných měsících vhodné podmínky k rozšíření života. K nim se počítají čtyři základní faktory: existence vody v kapalné fázi (mohl by jí být dostatek pod zmrzlou krustou měsíců), existence zdroje energie (na rozmrazení vody a pro život samotný), přítomnost základních biogenních prvků (dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium., uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. a vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.) a stabilita prostředí, která zajistí dostatek času na rozvoj živých forem. V této misi půjde především o zjištění velikosti oceánů a jejich vztahu k hlubším vrstvám měsíců. Sonda bude sledovat ledovou krustu, určí složení povrchu, bude zkoumat povrchové aktivity a působení magnetosféry Jupiteru na ledové měsíce. Dalším cílem mise je podrobné studium Jupiterova systému měsíců a prstenců a jeho porovnání s obdobnými systémy ostatních plynných obrů (SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou., UranuUran – jedna ze čtyř obřích planet, sedmá planeta sluneční soustavy má charakteristický modrozelený nádech. Průměrná hvězdná velikost 5,5^m je na hranici viditelnosti lidským okem. Planeta má soustavu prstenců a kolem krouží rozsáhlý systém měsíců podobně jako u ostatních obřích planet. Kromě vodíku a helia obsahuje atmosféra také metan, způsobující namodralé zbarvení. Ve středu Uranu je jádro z hornin a železa. Rotační osa Uranu je vzhledem k rovině oběhu stočená na bok (98°), patrně díky střetu s jinou velkou planetou při vzniku sluneční soustavy. Rotace je diferenciální s periodou 16÷17 hodin. Rychlost větrů v atmosféře dosahuje až 600 km/h. Magnetická osa svírá s osou rotace úhel 59° a je značně excentrická (prochází 8 000 km od středu planety). Magnetosféra je výrazná, intenzita pole je srovnatelná s intenzitou pole Země, ohon je zkroucen do tvaru vývrtky díky vlastní rotaci planety. a NeptunuNeptun – poslední z obřích planet. Podobně jako ostatní obří planety má prstence, rozsáhlou soustavu měsíců a pásovitou strukturu atmosféry s obřími víry – skvrnami. Neptun je téměř stejně velký jako Uran. Průměrná hvězdná velikost je 7,8^m, a proto nemůže být pozorován okem. Atmosféra má pásovitou strukturu, rotace je diferenciální s průměrnou periodou 19 hodin. Vlastní rotační perioda planety je 16 hodin, atmosféra tedy vzhledem k povrchu rotuje retrográdně. V atmosféře se nachází obří anticyklóny, například Malá a Velká temná skvrna. Atmosféra má zelenomodrou barvu, v horních vrstvách převládá vodík a helium. Modrozelené zabarvení je způsobeno stopami metanu. Rychlosti větru naměřené sondou Voyager 2 přesahují 2 000 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter, osa je skloněna 47° vzhledem k rotační ose a posunutá od středu o 0,55 poloměru.). JUICE se zaměří i na Jupiterovu atmosféru (popis dynamiky, cirkulace a složení atmosféry) a její vazbu na magnetosféru Jupiteru.

Místa ve Sluneční soustavě vhodná k osídlení podle základních podmínek: od červené barvy (podmínka není splněna nebo to nelze zjistit), přes žlutou barvu (pravděpodoně by mohla být splněná), po zelenou (je prokázáno, že podmínka je splněná). Zdroj: ESA, žlutá kniha.

Kvůli omezenému rozpočtu bude mít sonda pouze lehký radiační štít, a tím se nemůže příliš přiblížit do oblasti jupiterových radiačních pásů. Provede jen dva průlety kolem Europy, kde sonda Galileo mnohokrát prolétla, a poté zůstane na oběžné dráze kolem Ganymedu. Odtud bude mimo jiné vzdáleně sledovat sopečnou činnost na měsíci Io, ačkoli k němu samotnému se za celou misi nepřiblíží.

Ganymed je, se svým úctyhodným průměrem 5 268 km, největším měsícem ve Sluneční soustavě. Na grafu je jeho předpokládané složení. Podobně uspořádané nitro se předpokládá i u měsíců Europa a Callisto. Zdroj: BBC.

Průběh mise

Projekt JUICE je sice veden Evropskou kosmickou agenturou ESA, vznikl však pouze reformulací předchozí mise EJSM/Laplace (Europa Jupiter System Mission), kterou společně plánovaly ESA a NASA. Tato mise ale doplatila na škrty v rozpočtech obou agentur. Přípravné práce již probíhají asi rok. Se startem se počítá v červnu 2022, sondu by měla vynést nosná raketa Ariane 5Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Poslední využívaná varianta je nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Tento nosič vynesl na orbitu například dalekohled Jamese Webba. Poslední start rakety proběhl 6. července 2023. Připravuje se další verze rakety, Ariane 6. Starty probíhají z kosmodromu Guyanského kosmického centra v blízkosti Kourou ve Francouzské Guyaně.. Sonda využije třikrát gravitační prak ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. a jednou bude urychlena gravitačním polem VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku.. V roce 2030 by měla dorazit k Jupiteru. Podle plánu by sonda měla uskutečnit dva blízké průlety nad povrchem Europy ve výšce přibližně 400 km, dvanáct přeletů nad povrchem Ganymedu ve výšce 200 km a třináct přeletů ve stejné výšce nad Callisto. V roce 2032 bude sonda navedena na oběžnou dráhu kolem Ganymedu, odkud bude po devět měsíců provádět systematický průzkum tělesa. Tím by měla skončit základní mise. Pokud bude sonda v dobrém stavu, bude nejspíše pokračovat v další práci.

Umělecká vize mise JUICE. Zdroj: ESA.

Vybavení sondy

V současné době se vybírá ze tří návrhů sondy. Plánuje se, že její velikost bude asi 1,56×1,56×2,68 metrů a hmotnost při startu necelých 5 tun. O zásobu energie se mají postarat solární panely, které mají v rozloženém stavu plochu větší než 70 metrů čtverečních. Sonda JUICE možná ponese i ruský modul Ganymede Lander, který byl sestrojen pro přistání na Ganymedu a JUICE by ho tam mohla dopravit. O tom, zda se Rusko k misi připojí, se teprve jedná. Na následujícím obrázku jsou tři uvažované návrhy podoby sondy JUICE.

Tři návrhy podoby sondy JUICE. Zdroj: ESA.

Přístroje na sondě (počet: 11, celková hmotnost: 104 kg)
JANUS	Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator. Jedná se o systém kamer, obsahovat by měl jak širokoúhlou kameru tak teleobjektiv. Budou poskytovat snímky vybraných cílů s rozlišením několika metrů na pixel.
MAJIS	Moons and Jupiter Imaging Spectrometer, zobrazovací spektrometr měsíců a Jupiteru. Hlavním cílem tohoto nástroje je studium složení měsíců, složení jejich povrchů, dynamiky, struktury a morfologie atmosféry Jupiteru.
UVIS	UV Imaging Spectrograph, ultrafialový zobrazovací spektrograf. Ze snímků spektrografu budou prozkoumány povrchy a atmosféry jupiterových ledových měsíců a jejich vzájemný vliv na prostředí Jupiteru. Přístroj má také za úkol zjistit interakci mezi horní a dolní vrstvou atmosféry Jupiteru, a dále mezi ionosférou a magnetosférou nad nimi. Také bude snímkovat polární záře na Jupiteru a Ganymedu.
SWI	Sub-millimetre Wave Instrument, nástroj pro vlny kratší jednoho milimetru. Hlavním cílem nástroje je prozkoumat strukturu, složení a dynamiku střední atmosféry Jupiteru a exosféru jeho měsíců, stejně tak jako termofyzikální vlastnosti povrchů jeho okolních satelitů. Nástroje budou mapovat fyzikální strukturu měsíců zblízka i z oběžné dráhy Ganymedu.
GALA	Ganymede Laser Altimeter, laserový výškoměr pro Ganymed. Laserový výškoměr má poskytnout údaje o topografii, tvaru a přílivové deformaci zledovatělého povrchu měsíců. Měl by měřit s přesností 15 cm na výšku a dokonale tak popsat povrch Ganymedu.
RIME	Radar for Icy Moons Exploration, radar pro průzkum ledových měsíců. Radarový hloubkoměr navržený tak, aby pronikl do ledové krusty Europy, Ganymedu a Callisto až do hloubky asi 9 km. To umožní poprvé nahlédnout do podpovrchové struktury těchto tektonicky složitých a unikátních ledových světů.
3GM	Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons, gravitace a geofyzika Jupiteru a Galileových mesíců. Tento nástroj pro měření gravitačního pole a vnitřního složení má sloužit k charakterizaci vnitřní struktury a podpovrchových oceánů na Ganymedu a Kallistó, případně i Europy.
J-MAG	Magnetometer for JUICE, magnetometr pro JUICE. Přístroj má za úkol měřit indukované magnetické pole na Ganymedu, čímž bude schopen odhalit podpovrchové oceány. Dále má sledovat magnetické pole v rámci celé magnetosféry Jupiteru a pomoci pochopit celou dynamiku magnetosféry.
PEP	Particle Environment Package, sada pro sledování částic v prostředí. Sada nástrojů pro měření okolních částic, které jsou silným magnetickým polem Jupiteru urychlovány.
RPWI	Radio & Plasma Wave Investigation, přístroj pro radiové a plazmové vlny. Sada senzorů pro měření radiových vln v plazmatu. Bude mít za úkol prozkoumat plazmové vlny v magnetosféře jak samotného Jupiteru, tak i měsíce Ganymed.
PRIDE	Planetary Radio Interferometer & Doppler Experiment, planetární radiový interferometr a Dopplerův experiment. Jde o systém pro radiovou interferometrii a měření Dopplerova posuvu. Využívat bude technologii VLBIVLBI – Very Long Baseline Interferometry, radioastronomická metoda přesného měření polohy velmi vzdálených radiových zdrojů. Metoda spočívá v měření časových korelací zaznamenaných šumových signálů třemi a více radioteleskopy, umístěnými na zemském povrchu ve velké vzdálenosti od sebe. Nejcitlivější sítí je evropská EVN, nejznámější je americká VLBA s 10 radioteleskopy o základně 8 600 km. Pomocí této metody je definován souřadnicový systém ICRS..

Ruský přistávací modul Ganymede Lander, který se možná připojí k misi JUICE.
Zdroj: CDN3.

Participace České republiky

Česká republika je nedílnou součástí Evropské kosmické agentury od roku 2008. Různá pracoviště vyvíjí řadu přístrojů pro nejrůznější kosmické sondy. Nejinak je tomu se sondou JUICE. Do přípravy přístrojů se zapojila Matematicko-fyzikální fakulta UK, Ústav fyziky atmosféry AV ČR a Astronomický ústav AV ČR. Z těchto tří pracovišť byla pro finální přípravu přístrojů nakonec vybrána dvě, což je velký úspěch. Ústav fyziky atmosféry se podílí na přípravě části přístroje RPWI pro měření elektrických a magnetických polí. Pro jeho vývoj bylo založeno konsorcium, které je vedené Švédským institutem kosmické fyziky v Uppsale. Astronomický ústav vyvíjí nízkonapěťový zdroj, který bude odolný vůči velké radiační zátěži a podílí se na přípravě a návrhu přístroje J-MAG, který bude sledovat interakci Ganymedu s magnetosférou Jupiteru.

Evropská mise k Jupiteru je velmi ambiciózním plánem, a tak doufejme, že se vše podaří a v roce 2022 budeme moci informovat o úspěšném startu sondy JUICE.

Odkazy