Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 21. července, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2017

Juno poodhaluje pravou tvář Jupiteru I

Jiří Hofman

Sonda Juno, která dostala jméno podle manželky římského boha Jupitera schopné prokouknout oblaka zahalující manželovy nepravosti, již přes rok obíhá svůj cíl – největší planetu Sluneční soustavy. 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. přiletěla po téměř pětileté pouti 5. července 2016 a od té doby už o něm stihla zjistit řadu překvapivých věcí. Vítejte u třídílného seriálu o této sondě.

Umělecká vize sondy Juno u Jupiteru. Zdroj: NASA/Jet Propulsion Laboratory.

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. NASA – 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. New Frontiers – Nové hranice, program americké NASA, jehož cílem je výzkum těles Sluneční soustavy. Program využívá středně drahé sondy. Navazuje na přechozí programy Discovery a Explorer. Zatím jde o tři sondy – New Horizons (2006) k trpasličí planetě Pluto, Juno (2011) k Jupiteru a OSIRIS REx (2016) k planetce Bennu.

O misi a sondě

Juno je po výpravě k PlutuPluto – spolu s Charonem tvoří trpasličí dvojplanetu v Kuiperově pásu, která patří do rodiny plutoidů. Do roku 2006 byl Pluto řazen konvenčně mezi planety. V blízkosti jsou čtyři menší měsíce Nix, Hydra, Kerberos a Styx. Pluto oběhne Slunce jednou za 248 pozemských let po protáhlé, eliptické dráze. Kolem vlastní osy se otáčí v opačném smyslu, než obíhá. Jeho povrch, kde je nejvíce zastoupen dusíkový a metanový led, dobře odráží světlo. Dráha Pluta je mimořádně excentrická, v některých obdobích je blíže ke Slunci než Neptun (1979–1999). Sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17,1°. Sklon rotační osy od kolmice na rovinu dráhy je 122,5°. Pluto se, podobně jako Uran, odvaluje v rovině dráhy. druhým bodem programu New FrontiersNew Frontiers – Nové hranice, program americké NASA, jehož cílem je výzkum těles Sluneční soustavy. Program využívá středně drahé sondy. Navazuje na přechozí programy Discovery a Explorer. Zatím jde o tři sondy – New Horizons (2006) k trpasličí planetě Pluto, Juno (2011) k Jupiteru a OSIRIS REx (2016) k planetce Bennu. a po družici GalileoGalileo (sonda) – americká mise k Jupiteru, která startovala v roce 1989 a po několika prodlouženích trvala bez jednoho měsíce 14 let. Galileo byla první sondou umístěnou na oběžné dráze Jupiteru, odkud prováděla podrobný výzkum planety. Obsahovala sestupný modul, který byl použit v roce 1995. V roce 2003 ukončila sonda Galileo svou činnost řízeným pádem do atmosféry planety. druhou sondou, která zkoumá JupiterJupiter – 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. z oběžné dráhy. Rozpočet celé mise zahrnující přístroje, start, podporu po dobu výzkumu a zpracování dat činí 1,13 miliardy dolarů. Sondu vyrobila společnost Lockheed Martin. Při startu vážila 3 625 kg včetně 1 280 kg paliva a 752 kg okysličovadla. Na výšku i na šířku měří její šestiboké tělo 3,5 m. Její tři rozložené solární panely mají délku 9 m a šířku 2,65 m. U Jupiteru dodávají sondě 460 až 490 W elektrické energie (u Země to bylo 14 kW, s časem jejich výkon bude klesat až k 420 W). Až na asi 10 minut při průletu okolo Země by během své další mise sonda neměla vlétnout do žádného stínu, takže její solární panely by měly být neustále osvětlené Sluncem. Elektrickou energii sonda pro dobu své zvýšené spotřeby ukládá ve dvou 55Ah Li-on akumulátorech.

Jeden ze solárních panelů při montáži. Zdroj: NASA/JPL/Caltech/KSC.

Juno má hlavní motor Leros 1b o tahu 645 N a specifickém impulzuSpecifický impulz – poměr tahu raketového motoru k množství spotřebovaného paliva za jednotku času. Tato veličina udává, jaký tah dokáže motor vyvinout po dobu jedné sekundy při spotřebování jednoho kilogramu paliva. Vyjadřuje efektivitu raketových a proudových motorů. Rozměr specifického impulzu je N·s/kg. Tah motoru se udává buď v newtonech, nebo ve starších jednotkách – kilopondech. Raketové motory mají menší specifický impulz než motory proudové, protože se do pracovní látky započítává i hmotnost okysličovadla, které vozí s sebou. Ve starší a anglosaské literatuře se specifický impulz vztahuje na normální tíhové zrychlení (jeho hodnota je vydělena g) a jeho jednotkou je sekunda. 3 120 N·s/kg. Jako palivo využívá hydrazin a jako okysličovadlo směs oxidů dusíku. Pro řízení orientace ve všech osách slouží 12 malých motorků seskupených do čtyř modulů, dvou na horní a dvou na dolní straně sondy. Dohromady tyto jednosložkové motorky katalyticky rozkládající hydrazin dokáží změnit rychlost sondy až o 75 m/s, což vystačí i na seslání sondy do atmosféry Jupiteru. Hlavní motor je prozatím nejdůležitější součástka na palubě, která už selhala (došlo k poruše na heliovém ventilu a není jasné, jak se při dalším zážehu motor zachová).

Juno v době stavby. Dole je vidět hlavní motor. Stříbrné koule jsou
nádrže na pohonné látky. Zdroj: NASA/JPL

Sonda byla vypuštěna 5. srpna 2011 z mysu Canaveral pomocí rakety Atlas V551Atlas V – nosná raketa NASA vyvíjena společností Boeing, od roku 2006 vyráběná společností United Launch Alliance. Celková výška Atlasu s druhým stupněm Centaur III je 60 m. Vzletová hmotnost je 333 000 kg. Připojením až pěti pomocných raketových motorů na tuhé palivo GEM 63 hmotnost vzroste až na 590 000 kg. První stupeň rakety Atlas V je poháněn jedním motorem RD-180 s tahem 3,8 MN a druhý stupeň – Centaur III je poháněn jedním motorem RL10C-1 o tahu 102 kN nebo dvěma motory RL10A-4-2 o celkovém tahu 198 kN.. Na rampě měla celá sestava výšku 60 m a hmotnost 573 910 kg. Po necelých 11 minutách dvoustupňová raketa sondu dopravila na parkovací dráhu okolo Země a po dalších asi 40 minutách ji druhý stupeň Centaur vyslal na heliocentrickou dráhu. Než se oddělil, stihl ještě sondu roztočit, a tím ji stabilizovat. Následně se rozvinuly solární panely. V aféliuApocentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejdále. Pro Slunce se používá výraz afélium, pro Zemi apogeum, pro Měsíc apoluna, pro Jupiter apojovum, pro Saturn apokronum, pro Mars apoareion a pro hvězdu apoastrum. došlo ke korekci dráhy, aby se mohla znovu setkat se Zemí. Okolo naší planety sonda prolétla 9. října 2013 ve výšce 559 km a pomocí gravitačního prakuGravitační manévr – gravitační asistence, gravitační prak, gravitační brzda: změna vektoru rychlosti tělesa ve vesmíru při blízkém průletu kolem výrazně hmotnějšího tělesa. Nejčastěji je tento manévr využíván ke zrychlení, zbrzdění nebo odklonění kosmických sond pohybujících se po heliocentrických drahách pomocí průletu lokálním gravitačním polem planet nebo měsíců. zrychlila o 3,9 km/s. Celá cesta sondy k Jupiteru byla dlouhá asi 19 auAstronomická jednotka – au (astronomical unit), původně střední vzdálenost Země od Slunce, v roce 2012 ji IAU definovala jako 149 597 870 700 m přesně a změnila zkratku z AU na au. Astronomická jednotka se používá především pro určování vzdáleností ve sluneční soustavě, pro přibližné odhady postačí hodnota 150 milionů kilometrů.. Po příletu k cíli sonda zpomalila o 542 m/s a usadila se na protáhlé eliptické dráze s oběžnou dobou 53,5 dne s perijovemPericentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejblíže. Pro Slunce se používá výraz perihélium, pro Zemi perigeum, pro Měsíc periluna, pro Jupiter perijovum, pro Saturn perikronum, pro Mars periareion a pro hvězdu periastrum. 4 200 km nad oblaky planety a apojovemApocentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejdále. Pro Slunce se používá výraz afélium, pro Zemi apogeum, pro Měsíc apoluna, pro Jupiter apojovum, pro Saturn apokronum, pro Mars apoareion a pro hvězdu apoastrum. 8,1 milionu kilometrů.

Animace startu rakety Atlas V551 se sondou Juno včetně odhození boosterů
a roztočení. Zdroj: NASA/Juno.

Cesta sondy Juno k Jupiteru rozdělená po 30 dnech. Zdroj: NASA/JPL/Caltech.

Animace trajektorie sondy Juno na její cestě k Jupiteru. Zdroj: NASA/Juno.

Původně mělo dojít k úpravě této dráhy na kratší, čtrnáctidenní. V únoru 2017 ale bylo rozhodnuto, že kvůli riziku selhání hlavního motoru se tak nestane. Sonda tedy během dvou let práce u Jupiteru uskuteční pouze 12 oběhů, během kterých bude měřit, namísto plánovaných 33 (první dva oběhy, číslované od nuly, nebyly určeny pro vědecká měření; poslední měl být záložní, ale počítal se mezi „vědecké“ oběhy). Nový plán přinesl i nečekané pozitivum. Sonda bude moci zkoumat i vzdálenější oblasti Jupiterovy magnetosféry včetně magnetického ohonu, jižní magnetosféry a magnetopauzy. Samozřejmě díky méně průletům perijovem budou i méně namáhány přístroje citlivé na radiaci.

Záchytná a plánované oběžné dráhy. Zdroj: NASA.

Oběžná dráha se pokud možno vyhýbá radiačním pásům, které by mohly zničit elektroniku sondy. Polární dráha umožní prolétnout pod a zase nad radiačními pásy co nejrychleji. Po zkušenosti se sondou Galileo dostala elektronika sondy Juno 1 cm tlustou titanovou ochrannou schránku (Electronics Vault) o hmotnosti asi 157 kg, která by měla oslabit radiaci asi osmsetkrát, a zajistit tak přežití všech důležitých součástí sondy po dobu plánové životnosti sondy. Celá schránka i s obsahem má hmotnost asi 200 kg. Schovává se v ní přes dvacet různých elektronických systémů.

Nákres ochranné schránky. NASA/JPL/Caltech.

Hlavní palubní počítač RAD750 vyrobila firma BAE Systems ve Virginii. Jeho srdcem je procesor založený na architektuře PowerPC 750 s 10,4 miliony tranzistory a běžící na 200 MHz. K dispozici má 128 MB DRAM a 256 MB flash paměti. Zvládne zpracovat až 100Mb/s tok dat. Je navržený, aby přežil i milionkrát silnější dávku záření, než je smrtelná dávka pro člověka. Za 15 let své činnosti by se měl zhroutit a vyžádat si zásah ze Země jen jednou.

Komunikaci mezi sondou a Zemí zajišťuje především vysokozisková anténa o průměru 2,5 m přijímající a vysílající data v pásmu X. Na těchto frekvencích pracují i čtyři další menší antény pro zvláštní případy, jako byl například průlet okolo Země. Hlavní anténa dokáže komunikovat i v pásmu Ka. Vysílání a příjem v obou pásmech se za pomoci Dopplerova jevu využije při některých průletech perijovem pro měření i velmi malého zrychlení sondy v rámci experimentu Gravity Science. Sonda umí velmi jednoduchým pípáním nízkoziskových antén komunikovat se Zemí i v případě, kdy vysokozisková anténa nesměřuje k Zemi. Inženýři na Zemi tak mohou sledovat postupné dokončování úkolů sondy, aniž by s ní měli přímé spojení.

Umístění komunikačních antén na sondě. HGA – vysokozisková anténa, MGA – střednězisková anténa, FLGA a ALGA – horní a spodní nízkoziskové antény a TLGA – toroidální nízkozisková anténa. Zdroj: NASA/JPL/Caltech.

Před oddělením sondy ji druhý stupeň nosné rakety roztočil na 1,4 otáčky za minutu. Následné rozvinutí solárních panelů rotaci snížilo o dvě třetiny. Během letu k Jupiteru sonda rotovala rychlostí asi jedné otáčky za minutu. Při měření v blízkém okolí Jupiteru se rotace zrychluje na dvě otáčky za minutu. Při zážezích hlavního motoru se otáčení ještě více zvyšovalo až k 5 otáčkám za minutu. Rotace sondy je kromě stabilizace užitečná i při pozorování. Hned několik přístrojů využívá otáčení sondy k zvětšení prostorového úhlu, ve kterém pozoruje.

Protože sonda nevlétává do stínů, netrpí ani náhlými změnami teplot. Ochranná schránka je tepelně izolovaná a elektroniku udržuje ve stabilním prostředí pomocí ohřívačů a žaluzií. Pasivní i aktivní tepelnou ochranu má i pohonný systém. V prvních fázích letu se mohla sonda přehřívat od Slunce. Proto byla směrem ke Slunci natočena velká vysokozisková anténa, aby zastínila většinu důležitých součástí sondy. Součástky mimo ochrannou schránku mají vlastní tepelné požadavky, které jsou řešeny samostatně.

Zatím nezodpovězené otázky

Odkazy