Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 15 – vyšlo 12. dubna, ročník 17 (2019)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Není JUICE jako juice

Rudolf Mentzl

Nakonec to všechno dobře dopadlo. Škrty v rozpočtech na počátku desetiletí postavily 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. před dilema, zda zrušit zkoumání ledových měsícůLedové měsíce – měsíce pokryté ledovým příkrovem. U některých se předpokládá vnitřní oceán tekuté vody. Obíhají planety Jupiter a Saturn, není vyloučeno, že jsou i u dalších obřích planet. Jupiteru, nebo ambiciózní projekt kosmického detektoru gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO.. Po zralé úvaze se ESA rozhodla dát zelenou 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.. Šlo čistě o pragmatickou úvahu. Gravitační vlny nebyly tou dobou ještě experimentálně potvrzeny, a na druhou stranu Jupiter, ač téměř v hrsti, není žádný vrabec a dá se počítat s tím, že v jeho blízkosti dojde k nejednomu objevu. Od těch dob došlo k mnoha peripetiím, korekcím, dílčím úspěchům a kompromisům. Nicméně je tu konec desetiletí a můžeme se těšit z obého. O obrození projektu LISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být dlouhá pět milionů kilometrů. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). Poté byl projekt vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA) s rameny interferometru dlouhými „jen“ milion kilometrů. V roce 2017 se opětovně přepracovaný projekt dostal do výběru velkých (L3, Large) misí Evropské kosmické agentury pod původním názvem LISA. Finální délka ramen interferometru bude 2,5 milionu kilometrů. Start je plánován na rok 2034. jsme přinesli zprávu v AB 12/2019. Dnes více k Jupiteru a jeho ledovým měsícům.

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.

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.

Ledové měsíce – měsíce pokryté ledovým příkrovem. U některých se předpokládá vnitřní oceán tekuté vody. Obíhají planety Jupiter a Saturn, není vyloučeno, že jsou i u dalších obřích planet.

Galileo (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.

Cíle mise

Projekt JUICE neboli JUpiter ICy moons Explorer byl definitivně schválen 5. května 2012. Podrobnosti o projektu jsme přinesli již v bulletinu AB 23/2013. Připomeneme jen ve stručnosti hlavní cíle, a pak se budeme věnovat novinkám a upřesněním. Výzkum bude zaměřen na strukturu měsíců. Pořídíme především přesné topografické a geologické mapy povrchu. Dále nás zajímají fyzikální charakteristiky ledových kůr, jakož i detekce a složení případných vnitřních oceánů. Chceme přesně změřit vnitřní magnetické pole Ganymeda, jeho interakci s magnetosférouMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. Jupiteru a prozkoumat vliv okolního prostředí. Samozřejmé je hledání signatur života.

Projekt si však bere za cíl nejen zmíněné měsíce, ale i samotný Jupiter. Rozsáhlá magnetosféra Jupiteru má významný vliv na vnitřní prostředí měsíců. Její podrobné zmapování umožní lépe pochopit stav podpovrchových oceánů. Dále bude sonda zkoumat atmosféru ve výškovém rozsahu od vrcholků mraků až po termosféruTermosféra – horní vrstva atmosféry, sahá od konce mezosféry (ve výšce 80 km) přibližně do vzdálenosti 700 km od povrchu. Teplota s nadmořskou výškou stoupá, nejde ale o skutečnou teplotu látky, neboť střední volná dráha částic je mnoho kilometrů. Součástí termosféry je ionosféra. Ve 100 kilometrech se nachází Karmánova hranice, nad kterou jsou provozovány družice.. Důraz je kladen především na dlouhodobé procesy, chemické složení a přenášení energie a hybnosti mezi jednotlivými vrstvami. Je vidět, že zařazení projektu do třídy L (Large) si mise plně zaslouží. Pro nás je zajímavá také česká účast na projektu.

Časový harmonogam návštěv jednotlivých měsíců. Zdroj: ESA.

Ganymedes

Primárním cílem mise je zkoumání měsíce Ganymedes. Dnes víme téměř s jistotou, že se pod ledovým krunýřem měsíce nachází oceán kapalné vody. To by byl sám o sobě důvod, proč měsíc zkoumat. Pozornost planetologů však přitahuje především jeho magnetické pole. Již mise 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. zjistila, že ledové měsíce interagují s magnetosférou Jupiteru. Tento jev přičítají sekundárnímu magnetickému poli, které se indukuje v jejich slaných oceánech. U Ganymeda je situace poněkud odlišná. Kromě indukovaného pole má také vlastní magnetické pole dipólového charakteru. Kolem měsíce byly v ultrafialovém oboruUltrafialové záření – elektromagnetické záření s kratší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 1 nm do 400 nm. Ultrafialové záření objevil v roce 1801 Johann Wilhelm Ritter. Značí se UV z anglického UltraViolet, rozděluje se na extrémní XUV (EUV) (1÷31 nm), daleké VUV (FUV) (10÷200 nm), hluboké DUV (pod 300 nm), krátkovlnné (pod 280 nm), středněvlnné UVB (280÷320 nm), dlouhovlnné UVA (320÷400 nm) a blízké NUV (200÷400 nm). vyfotografovány dva pásy polární zářePolární záře – nepravidelné, proměnlivé elektromagnetické záření vytvářené v atmosféře tokem nabitých částic z okolního prostoru. Energetické částice pronikají do hlubších vrstev atmosféry, kde excitují neutrální molekuly. Typickým zdrojem nabitých částic z vnějšího prostředí je sluneční vítr. Na Zemi se polární záře typicky vytvářejí v polárních oblastech, kde podél uzavřených siločar vlastního magnetického pole planety pronikají do atmosféry nabité částice. U planet bez vlastního magnetického se polární záře vyskytují také, avšak navzdory svému názvu již nejsou vázány na polární oblasti, protože tyto planety žádné magnetické póly nemají.. Sonda si klade za úkol prozkoumat, jak částice kosmického záření interagují nejen se slabou atmosférou, ale i jak ovlivňují složení povrchu a jak se magnetická pole planety a měsíce ovlivňují.

Dnes již sice máme přesvědčivé důkazy, že se pod ledovým povrchem nachází tekutý oceán, ale stále nevíme, jak silná ledová kůra je a jak hluboko oceán sahá. Také není zřejmé, jak se rozhraní mezi jednotlivými vrstvami chovají. Po důkladném proměření magnetického pole bude možné lokalizovat indukované elektrické proudy ve slaném oceánu, a tím vymezit jeho rozsah. Tato metoda bude doplněna nezávislými měřeními rychlosti otáčení měsíce a přesným mapováním jeho gravitačního pole.

Na palubě sondy bude také přítomen radar, který by měl proniknout do hloubky až 9 km pod ledový povrch. Tato měření přinesou údaje o tektonických rysech a geologickém vývoji. Při troše štěstí dosáhnou až na rozhraní vody a ledu, čímž zjistíme minimální tloušťku kůry. Mapování samotného povrchu pomůže k určení mineralogického složení a k objasnění geologických procesů, které formovaly poměrně komplikovaný povrch. Pozorování povrchu v různých vlnových délkách zpřístupní studium rozmístění různých materiálů, což povede k lepšímu pochopení distribuce prvků nezbytných pro život.

Polární záře v ionosféře Ganymeda jsou pozorovatelné pouze v ultrafialovém oboru.
Zdroj: NASA, ESA a J. Saur (Kolínská univerzita, Německo).

Europa

Na rozdíl od Ganymeda, kterého bude JUICE zkoumat přímo z jeho oběžné dráhy, bude nad Europou pouze prolétat. Na vině je Jupiterův pás zvýšené radiace (obdoba Van Allenových radiačních pásůVan Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O⁺, He⁺) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 R_Z. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. v blízkosti Země), ve kterém se Europa nachází a který je schopný relativně rychle zničit elektronické vybavení sondy. Měření jsou však rozplánována tak, aby je sonda zvládla i během krátkých přiblížení. Bude to především „ochutnávka“ vody z vrcholků europských gejzírů. Tyto gejzíry byly objeveny teprve v nedávné době a nemáme zatím k dispozici přesné údaje o jejich chemickém složení. Naskýtá se zde možnost prozkoumat složení materiálu z nitra měsíce. Zda je zdroj těchto gejzírů v podpovrchovém oceánu, nebo v lokálních kapsách ledové kůry, není zatím známo. Uvidíme, kam nás měření posunou.

Hladký povrch Europy pokrytý sítí prasklin a trhlin svádí k podložené domněnce, že na tomto měsíci existuje jakási obdoba deskové tektoniky. Některé útvary připomínají pozemské oceánské hřebeny a jiné naopak místa subdukce, kde se jedna kra zasunuje pod druhou. Místa vyhlížející jako zdroje gejzírů sledující tektonické linie, podobně jako pozemské sopky sledují rozhraní pevninských ker, planetology jen v domněnce o kontinentálním driftu utvrzují. Pokud radarová pozorování tyto představy potvrdí, vnese se tím jasno do záhady, jakým způsobem je povrch Europy neustále omlazován.

Trhliny v ledu na Europě naznačují přítomnost deskové tektoniky.
Zdroj: NASA / JPL / Arizonská univerzita.

Callisto

Průzkum posledního měsíce – Callista – můžeme chápat jako sběr srovnávacího materiálu. I u tohoto měsíce planetologové připouštějí, že by mohl skrývat tekutý oceán, důkazy však chybí. Není ani jisté, zda jsou zde slapové jevy natolik intenzivní, aby mohly udržet vodu v tekutém stavu. Také samotný povrch vykazuje jen velice malé stopy eroze, a je proto možné, že jde o geologicky mrtvé těleso. V tom případě bychom ho mohli považovat za zakonzervovaný etalon nesoucí údaje o svém vzniku v období formování ostatních galileovských měsíců. Pokud je tomu tak, bude nás zajímat, jakým způsobem se na měsíci usazuje prach z okolí a jak je rozmísťován po povrchu.

Callisto je obklopeno řídkou atmosférou zakončenou ionosférou. Přístroje sondy Galileo před lety v okolí měsíce zaznamenaly mírnou deformaci magnetického pole Jupiteru. Dosud není jisté, zda ji měla na svědomí zmíněná ionosféra nebo šlo o projev podpovrchového oceánu. Od sondy JUICE se očekávají přesnější měření, která rozhodnou, zda je Callisto zcela mrtvým tělesem, nebo se přece jen mezi ledovým povrchem a skalnatým jádrem nějaký oceán skrývá. Ani u tohoto měsíce se sonda neusadí na oběžné dráze, spokojí se pouze s dvanácti průlety ve výškách 400 a 200 km.

Povrch Callista je posetý krátery. Sonda Galileo vyfotografovala pravděpodobný sesuv horniny v jednom z kráterů (velký kráter vpravo nahoře). Vlna prachu cestovala po povrchu podezřele dlouho, což naznačuje jeho velice jemnou strukturu a možné načechrání elektrostatickými silami. Zdroj: NASA / JPL / ASU.

Zlaté české ručičky

Zvláštní kapitolou vesmírných misí do odlehlých koutů Sluneční soustavy je napájení elektrickou energií. Řeší se to klasicky slunečními bateriemi nebo radioizotopovými zdroji RTG. Jupiter se nachází ve vzdálenosti, ve které přichází v úvahu oba způsoby. V počátcích projektu se rýsovala možnost, že by součástí mise byl také ruský modul Laplace-P (dříve zvaný Ganymede Lander) a diskutovala se možnost, že by se jeho radioizotopový generátor (RTGRTG – radioizotopový termoelektrický generátor, zdroj energie využívaný pro mise sond do nejvzdálenějších částí Sluneční soustavy, kde jsou klasické solární panely neúčinné. Základem RTG generátoru je kapsle z radioaktivního materiálu, zpravidla plutonia. Při rozpadu se uvolňuje velké množství tepla, které se v termočláncích konvertuje na elektřinu. Odpadní teplo je vyzařováno do okolního prostoru. RTG články mohou dodávat energii přístrojům několik desítek let.) mohl podílet na celkové energetické bilanci. Laplace-P však na palubě nebude, od RTG bylo tedy upuštěno. Vývoj a konstrukce napájecí soustavy připadla Astronomického ústavu Akademie věd ČR, který ke spolupráci přizval švédský Institut kosmické fyziky v Uppsale (IRF). Požadavky na napájení přístrojů ve velkých vzdálenostech od Slunce jsou mnohokrát přísnější než na oběžné dráze Země. Vzdálenost Jupiteru je větší, než pět astronomických jednotekAstronomická 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., intenzita záření je tedy 25× menší a z téměř 1 400 Wm^-2 se smrskne na necelých 50 Wm⁻². Uvážíme-li ještě účinnost článků a nutnou rezervu způsobenou degradací polovodičů v prostředí zvýšené radiace, nezdá se plocha slunečních panelů 60–75 m² předimenzovaná.

Astronomický ústav získal zkušenosti s napájecími systémy pro družice již při vývoji zařízení pro Solar Orbiter, ale tady je nemohl plně využít. Odlišnost zadání si tu vyžádala naprostou změnu koncepce řešení. Činnost zdroje je komplikována sedmiletou příletovou fází a dvouletou dobou práce v prostředí zvýšené radiace. Omezující byly také přísné požadavky na extrémně nízký vyzařovaný šum. Nároky na spolehlivost a vysokou energetickou účinnost zdroje si vyžádaly zdvojení některých komponent a použití špičkových součástek. V ČR bohužel nemáme montážní pracoviště, které by mělo od ESA certifikací pro práci s těmito součástkami. Tuto část projektu musel převzít švédský IRF. Všechny komponenty byly řádně odzkoušeny, prošly na výbornou a AsÚ již zadavateli předal plně funkční inženýrský model.

Napájecí zdroj na laboratorním stole v Uppsale. Zdroj: AsÚ AV ČR.

Sonda JUICE vystartuje ze Země dne 5. června 2022. Po roce začne série pěti gravitačních manévrů: Země-Venuše-Země-Mars-Země, která sondu JUICE dovede k Jupiteru v listopadu 2029. Zdroj: ESA.

Odkazy