![]() | |||
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|

Juno poodhaluje pravou tvář Jupiteru II
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. V předchozím díle jsme si popsali misi jako celek, včetně průběhu letu sondy. Dnes se podíváme podrobněji na vybavení sondy.

Postavičky letící na palubě k Jupiteru. Zdroj: NASA/JPL/Caltech/LEGO
A začneme, řekněme, zbytečnostmi. Sonda sebou nese tři asi čtyřcentimetrové sošky inspirované LEGO postavičkami – Galilea Galileie, římského boha Jupitera a jeho ženu Juno. Postavičky mají podpořit zájem dětí o vědu, techniku, inženýrství a matematiku. Součástí sondy je také plaketa věnovaná Galileu Galileiovi od Italské kosmické agenturyASI – Agenzia Spaziale Italiana, Italská kosmická agentura. Byla založena v roce 1988, hlavním cílem je koordinování aktivit Itálie ve vesmíru. Agentura má zástupce v radě Evropské kosmické agentury. o rozměrech 71×51 milimetru a hmotnosti 6 g. Je na ní Galileiův autoportrét a kopie textu, který napsal při pozorování 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. v roce 1610. A teď již k podstatnému vybavení.

Plaketa Galilea Galileie NASA/JPL/Caltech/KSC
Přístroje

Přístroje na palubě. Zdroj: NASA/JPL/Caltech
MWR (Microwave radiometer)
MWR (Microwave radiometer) je mikrovlnný radiometr
pracující na šesti frekvencích: 600 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz, 4,8 GHz, 9,6 GHz
a 22 GHz. Největší anténa (pole flíčkových anténFlíčková anténa – Patch Antenna, anténa s několika plošnými vodivými prvky nanesenými na nevodivý substrát. Jednotlivé prvky jsou nejčastěji obdélníky, mohou mít ale i tvar obecnějších plošek (flíčků). Jednotlivé plošky jsou vodivě propojeny. Této anténě se také (zejména při pravoúhlém tvaru plošek) říká mikropásková anténa.) pro pásmo 600 MHz zabírá
celou jednu stěnu šestiboké sondy, další čtyři (opět pole flíčkových antén pro 1,2 GHz a vlnovodové štěrbinové řady pro 2,4 až 9,6 GHz) jsou umístěny na stěně
druhé – vždy mezi stěnami se solárními panely. Poslední, malá trychtýřová
anténa pro
pásmo 22 GHz, je umístěna na horní stěně sondy a míří stejným směrem jako
čtyři předchozí. Účelem tohoto zařízení je sledovat jevy hluboko v atmosféře
Jupiteru. Každá z antén zachycuje tepelné mikrovlnné záření. Pečlivým
vážením signálů z nich lze pozorovat teplotní a chemický profil atmosféry až
do hloubky 550 kilometrů, kde působí tlak asi 1 000 barů. Půjde tak zjistit,
jak hluboko do atmosféry Jupiteru zasahují struktury, které pozorujeme v jejích horních vrstvách. MWR by měl vydržet měřit 11 oběhů. Přístroj
dodala americká Jet Propulsion Laboratory (NASA).
JIRAM (Jovian InfraRed Auroral Mapper)
JIRAM
(Jovian InfraRed Auroral Mapper) sestává z infračerveného dalekohledu a spektrometru a má za úkol proměřovat horní vrstvy atmosféry, zhruba v
hloubce 50 až 70 km pod vrcholky oblaků. Je citlivý na infračervené záření v pásmu od 2 do 5 µm. Sleduje hlavně H3+ ionty, a dokáže tak zjistit
pohyby vodních oblaků v atmosféře. Kromě vody umí zjistit i přítomnost
metanu, čpavku nebo fosfanu.
Na vlnové délce 3,4 µm dokáže pozorovat záření
polárních září a na 5 µm i horké skvrny na Jupiteru. V optice přístroje je
zakomponováno otáčivé zrcadlo, které umožňuje při rotaci sondy potřebnou
dobu expozice. Světlo je přístroji rozděleno do dvou ohnisek. V jednom je
infračervená kamera pracující v pásmech 3,3 až 3,6 µm a 4,55 až 5,05 µm.
CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá.
detektor má rozlišení 432 na 128 pixelů a jeho zorné pole je velké 3,66
na 6,24 stupňů. V druhém ohnisku je umístěn spektrometr. Jeho mřížka je
velká 60×32 mm a má 30,2 vrypů na mm. Samotný detektor spektrometru má
256×336 pixelů, a umožňuje tak v pásmu 2,0 až 5,0 µm rozlišení 9 nm.
Zorné pole spektrometru je 3,5×0,014 stupně. Díky tomu dokáže
analyzovat objekty v horních vrstvách atmosféry až s přesností 1 km.
K sondě je JIRAM přichycen třemi dvojnožkami. Teplotu si přístroj řídí sám dvěma výměníky. JIRAM byl zkalibrován při sledování Měsíce během průletu sondy okolo Země. Je navržen pracovat nejméně do oběhu číslo 8, podle požadavků totiž není odolný vůči radiaci. Autorem zařízení je Italský národní ústav pro astrofyziku.
MAG (Magnetometer)
Magnetometr MAG vytváří podrobnou trojrozměrnou mapu magnetického pole
Jupiteru. Jeho rameno dlouhé 3,6 metru je umístěno na konci jednoho ze solárních panelů.
Sestává ze dvou magnetických indukčních senzorů, které měří směr
magnetického pole a tříosého skalárního heliového magnetometru, který měří
velikost magnetického pole. Magnetické indukční senzory jsou umístěny 9,8 a 11,8 metrů
a heliový magnetometr 8,8 metrů od těla sondy. Dva magnetické indukční
senzory vzájemně otočené o 180 stupňů umožňují odečíst pole generované
samotnou sondou. Magnetometr vzorkuje magnetické pole šedesátkrát za
sekundu. Přesnou orientaci MAGu v prostoru zajišťuje dvojice hvězdných
kompasů ASC (Advanced Stellar Compass). Díky MAGu bude Jupiterovo
magnetické pole nejlépe proměřené ze všech planet kromě Země. Poprvé měřil
MAG již při průletu sondy okolo Země. Magnetometry se vždy umisťují na
ramenech, aby měřily magnetické plole co možná nejdále od sondy. Tím
určují rozměry celé sondy. Magnetometr vyrobilo Goddardovo
kosmické středisko (NASA).
GS (Gravity Science)
GS
(Gravity Science) je radiotechnický experiment, při kterém se velmi přesně
měří zrychlení sondy způsobené místními anomáliemi Jupiterova gravitačního
pole. Experiment využívá hlavní komunikační anténu namířenou k Zemi. Při
měření přijímá a vysílá na frekvencích v pásmech X (7153,065586, resp.
8 404,135 802 MHz) a Ka (34 365,5, resp. 32 083,3 MHz). Změny rychlosti sondy
vůči Zemi se měří využitím
Dopplerova jevuDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze.. Pozemská stanice dokáže také
zjistit velmi přesně vzdálenost sondy od Země. Vyšle signál k sondě v pásmu
Ka, sonda odpoví v pásmu X a při známých podmínkách lze měřit vzdálenost
sondy s přesností až 1 m! Tato měření bohužel nelze provádět zároveň s radiometrickým, protože vyžaduje jinou orientaci sondy (při radiometrickém
měření je rovina solárních panelů kolmá k „povrchu“ planety, při proměřování
gravitačního pole je kolmá ke směru k Zemi.) Jediná stanice
Deep Space NetworkDSN – Deep Space Network. Jde o mezinárodní komunikační síť antén sloužící podpoře meziplanetárních letů a radioastronomických pozorování. Síť začala budovat NASA a dnes ji tvoří tři sedmdesátimetrové antény umístěné na Zemi v přibližných rozestupech 120°: Goldstone (poušť Mojave v Kalifornii), v blízkosti Madridu (Španělsko) a v blízkosti Canberry (Austrálie). schopná vysílat k sondě signál v pásmu Ka
leží v kalifornském
Goldstonu.
JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment)
JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment) využívá tří analyzérů
elektronů (JADE-E) a jednoho hmotnostního spekrometru iontů (JADE-I). Cílem
experimentu je prostudovat částice a procesy v polárních zářích Jupiteru.
Detektory elektronů jsou umístěné na horní stěně sondy, vždy mezi solárními
panely. Hmotnostní spektrometr iontů je přichycen vedle jednoho z detektorů
elektronů. JADE-E zaznamenávají elektrony o energiích 0,1 až 100 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.,
JADE-I pak ionty o energiích od 5 eV do 50 keV a hmotnostech do 40 atomových
hmotnostních jednotek. Každý analyzér elektronů má zorné pole 120×90 stupňů.
JADE-I detekuje ionty ze zorného pole 270 krát 90 stupňů. JADE-E nezjistí
jen energii zachyceného elektronu, ale i směr, odkud přiletěl. JADE
připravili na texaském Southwest Research InstituteSwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů..
JEDI (Jovian Energetic Particle Detector Instrument)
JEDI (Jovian Energetic Particle Detector Instrument) je doplňkovým
přístrojem k JADE. Detekuje elektrony, protony, ionty a neutrální atomy
o vyšších energiích, elektrony od 25 do 1 000 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.
a ionty od 10 keV do 10 MeV. Sestává ze tří téměř stejných detektorů se
zorným polem 12×160 stupňů.
Dva z nich jsou umístěny na sondě proti sobě,
kolmo na osu rotace. Během jednoho otočení tak pokryjí celý prostor kolem
sondy. Třetí, mírně odlišný senzor, je umístěn rovnoběžně s osou rotace
sondy a sleduje prostor nad sondou. Detektory pracují ve třech módech, které
se postupně vystřídají během 0,5 s – měření energií elektronů, měření
energií iontů a zjišťování druhů iontů. Přístroj dokáže zaznamenat až 30 000
částic za sekundu. JEDI nemá v ochranné schránce žádnou další elektroniku.
Veškerou svou elektroniku proto před pronikavým zářením musí detektory
odstínit samy. Velmi podobné detektory jsou také na Van Allenových sondách
pracujících na oběžné dráze okolo Země a na sondě New Horizons. Přístroj byl
postaven v Applied Physics Laboratory na Univerzitě Johnse Hopkinse.
Waves (Radio and Plasma Wave Sensor)
Waves (Radio and Plasma Wave Sensor) měří složky elektrického a magnetického
pole plazmových vln a volně se šířící radiové vlny. Dipólová anténa ve tvaru
V měří elektrické pole v rozsahu frekvencí 50 Hz až 40 MHz. Ramena antény
jsou dlouhá 2,8 m a jejich konce jsou od sebe vzdálené 4 m. Anténa trčí
šikmo do prostoru na spodní straně sondy. Indukční magnetometr s 10 000
závity a 15cm jádrem naopak měří magnetickou složku v pásmu od 50 Hz do
20 kHz. Umístěn je na spodní straně, paralelně s osou rotace sondy.
Nízkofrekvenční (50 Hz až 20 kHz) přijímač tohoto přístroje v jednom svém
kanálu monitoruje fluktuace napětí na sběrnici sondy, aby je bylo možno
odečíst od signálu měřeném v druhém kanálu. Třetí kanál pokrývá pásmo 10 až
150 kHz a nevyužívá tedy signál z magnetometru. Dva vysokofrekvenční
přijímače pak umí nejen analyzovat signál v pásmu od 100 kHz do 40 MHz, ale
i zjistit spektrum vysokofrekvenčního signálu proměřením všech 1MHz pásem
v rozsahu od 3 do 40 MHz. Při příletu k Jupiteru přístroj Waves zaznamenal
jak rázovou vlnu při vstupu do magnetosféry planety, tak následně
i magnetopauzu. Přístroj vyvinula Iowská univerzita.
UVS (Ultraviolet Spectrograph)
UVS (Ultraviolet Spectrograph) je dalekohled a spektrograf pracující v rozsahu od 68 do 210 nm, tedy tvrdého ultrafialového záření. Hlavním úkolem
tohoto přístroje je pozorování polárních září a také vysvětlení záblesků
záření vycházejících z polárních oblastí planety s periodou 45 minut. Rozsah
byl zvolen tak, aby spektrograf mohl sledovat všechny důležité emisní čáry
vodíku a absorpční čáry uhlovodíků, které vznikají v polárních zářích.
Vstupní clona dalekohledu je čtvercová, o rozměrech 40×40 mm. Dalekohled
má podobně jako JIRAM první zrcadlo hladké, ale pohyblivé v rozsahu ±30
stupňů od osy kolmé na osu rotace sondy, aby se přístroj mohl při nízkých
průletech zaměřovat na jednotlivé detaily. Hlavní parabolické zrcadlo je
vyosené s ohniskovou vzdáleností 120 mm. Obě zrcadla jsou pokryta
vrstvičkami hliníku a fluoridu hořečnatého, aby co nejlépe odrážela záření o vlnové délce větší než 100 nm. Samotný spektrograf je Rowlandův kruh o průměru 150 mm. Na jeho vstupu se UV
záření rozdělí do tří polí. Dohromady
je pak zorné pole, respektive zorná úsečka dlouhá 2 stupně a široká pouhých
0,05 stupně. CsI fotokatody tvoří pole 2048×256 pixelů. Spektrální
rozlišení tak dosahuje 0,4 až 0,6 nm a prostorové 0,1 stupně, což ze
vzdálenosti jednoho poloměru Jupiteru odpovídá 125 km. UVS využívá při
pozorování otáčení sondy, takže obsáhne velkou část okolí sondy, 360×60
stupňů. Stejně jako JADE, pochází i UVS z texaského Southwest Research InstituteSwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů. s přispěním belgického CSL/BELSPO.
JCM (JunoCam)
JCM (JunoCam) je asi divácky nejvděčnější přístroj, ale k vědeckému poznání
nejspíše přispívá nejméně. Při pořizování snímků se musí kamera vypořádat
s rotací sondy. Dokáže to pomocí metody časového zpoždění a integrace (TDI),
která se používá pro fotografování slabých pohybujících se objektů. CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. čip má rozměry 11,84×8,88 mm s rozlišením 1 600×1 200 pixelů.
V kameře se přepíná mezi třemi standardními filtry pro viditelné světlo –
modrým (420 až 520 nm), zeleným (500 až 600 nm) a červeným/infračerveným
(600 až 800 nm) a speciálními filtrem pro 890nm záření, v němž svítí metan. Standardní filtry mají zorné pole široké 4,64×58 stupňů, speciální
filtr pak 10,2×58 stupňů. Typické expoziční doby jsou pro
standardní filry 12,5 µs a speciální filtr 0,5 s. Ohnisková vzdálenost
kamery je 11,7 mm. Při průletu 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. zvládne fotoaparát pořídit
snímky až s rozlišením 15 km na pixel. Při letu nad póly se do zorného
pole zhruba vejde celý Jupiter. Pro pozorování z apojovaApocentrum – 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. nebo snímkování
měsíců Jupiteru je tato kamera nevhodná. Sonda posílá obrázky ve formátu
JPEG a poradí si jak se ztrátovou, tak bezeztrátovou verzí. 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. nemá tým
pro zpracování dat z tohoto přístroje. Místo toho data dává k dispozici
veřejnosti. Od toho si slibuje nové, neotřelé postupy při zpracování
obrázků a samozřejmě širokou popularizaci její práce. JunoCam by neměla
selhat alespoň do oběhu 8, přestože její elektronika je umístěna mimo
ochrannou schránku. Kamera je podobná té, která pořizovala snímky Marsu
při sestupu vozítka
Curiosity na Mars (MARDI) a také byla objednána od
kalifornské firmy Malin Space Science Systems.
A video na závěr
Přístroje na sondě Juno. Zdroj: NASA.
V posledním díle se zaměříme na detailní popis práce sondy u Jupiteru
a povíme si něco málo o již uskutečněných
objevech.
Odkazy
- Randy Gladstone: Juno UV, Optical, & IR Remote Sensing; Workshop on Jupiter’s Aurora Anticipating Juno’s Arrival 4th July 2016
- A. Coradini et al.: The JIRAM (Jovian InfraRed Auroral Mapper) Experiment; Lunar and Planetary Science XXXVII (2006)
- B. H. Mauk et al.: The Juno Magnetic Field Investigation; Researche Gate, May 2017
- https://rd.springer.com/article/10.1007/s11214-014-0094-y
- M. A. Janssen et al.: MWR: Microwave Radiometer for the Juno Mission to Jupiter; Space Sci Rev (2017)
- J. E. P. Connerney et al.: The Juno Magnetic Field Investigation; Space Sci Rev (2017)
- D. J. McComas et al.: The Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) on the Juno Mission to Jupiter; Space Sci Rev (2013)
- B. H. Mauk et al.: The Jupiter Energetic Particle Detector Instrument (JEDI) Investigation for the Juno Mission; Space Sci Rev (2013)
- W. S. Kurth et al.: The Juno Waves Investigation; Space Sci Rev (2017)
- G. Randall Gladstone et al.: The Ultraviolet Spectrograph on NASA’s Juno Mission; Space Sci Rev (2014)
- C. J. Hansen et al.: Junocam: Juno’s Outreach Camera; Space Sci Rev (2014)
- Alberto Adriani et al.: JIRAM, the Jovian Infrared Auroral Mapper; Space Sci Rev (2014)
- Space News and Beyond: Juno; SpaceFlight
- NASA Mission Pages: Juno
- SWRI: Mission Juno
- NASA JPL-CalTech: Juno Orbit Insertion Press KIt
- Ryan Mukai et al.: Juno Telecomunications; JPL/DESCANSO
- Wikipedia: Juno (Spacecraft)
