Jupiter Icy Moon Explorer

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE)
Jupiter Icy Moon Explorer (рисунок художника)
JUICE (рисунок художника)
Заказчик

Европейское космическое агентство

Задачи

изучение системы Юпитера

Спутник

Юпитер

Выход на орбиту

июль 2030 года

Запуск

сентябрь 2022 года

Ракета-носитель

Ариан-5 (космодром Куру)

Длительность полёта

7,6 лет

Сход с орбиты

июль 2033 года

Сайт проекта

Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) — автоматическая межпланетная станция Европейского космического агентства, проектируемая для изучения системы Юпитера, главным образом — спутников Ганимеда, Европы и Каллисто на предмет наличия у этих лун подповерхностных океанов жидкой воды. Исследования Ио будут вестись только дистанционно. В цели миссии JUICE входит исследование Ганимеда как богатого водой мира, что имеет важнейшее значение для определения потенциальной обитаемости Солнечной системы вне Земли. Кроме того, особое внимание будет уделено исследованиям уникальных магнитных и плазменных взаимодействий Ганимеда и Юпитера. Миссия была утверждена 2 мая 2012 года в качестве основной класса L1 в рамках программы Cosmic Vision на 2015—2025 годы[1]. Примерная стоимость программы составляет 850 млн евро[2] (в ценах 2011 года). Научный руководитель проекта (Study Scientist) — Дмитрий Титов (ЕКА).

История программы[править | править вики-текст]

  • До 2009 года миссия называлась Jupiter Ganymede Orbiter (JGO) и являлась частью международной программы (НАСА/ЕКА/Роскосмос/JAXA) Europa Jupiter System Mission, запланированной к запуску на 2020 год. После выхода из проекта США и Японии в начале 2011 года Европейское космическое агентство продолжило прорабатывать проект, входивший в концепцию программы Cosmic Vision» еще с 2007 года.
  • Апрель 2011 года — ЕКА объявило о создании новой научно-исследовательской группы для проработки миссии L-класса в рамках программы Cosmic Vision, которая займется переформулированием программы EJSM-Laplace, состоявшей из аппаратов Jupiter Ganymede Orbiter (ЕКА) и Jupiter Europa Orbiter (НАСА).
  • Март — октябрь 2011 года — проведение научно-исследовательских работ по подготовке отчета по проекту-наследнику JGO — JUICE (JUpiter ICy moon Explorer).
  • Декабрь 2011 года — публикация исследовательского отчета по проекту JUICE. Документ объемом 133 страницы (т. н. «Жёлтая книга») затрагивал научные, технические и управленческие вопросы проекта и включал описание миссии, цели, сценарий, требования к научным приборам и краткое изложение трех стадий разработки зонда.
  • В апреле 2012 года из трех претендентов на реализацию в рамках программы Cosmic Vision на 2015—2025 гг. программный комитет ЕКА отдал предпочтение проекту JUICE перед двумя другими — обсерваторией для поиска гравитационных волн NGO (New Gravitational Wave Observatory) и рентгеновским телескопом ATHENA (Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics).
  • 2 мая 2012 года ЕКА официально утвердило миссию JUICE, главное отличие которой от проекта JGO заключается в добавлении в сценарий миссии двух облётов Европы.
  • 21 февраля 2013 года ЕКА утвердило для разработки 11 научных приборов зонда.
  • Ноябрь 2014 года — публикация очередного исследовательского отчета по проекту JUICE за период работы с февраля 2012 по октябрь 2014 года. Документ объемом 128 страниц (т. н. «Красная книга») затрагивал научные, технические и управленческие вопросы проекта и включал описание миссии, цели, сценарий, требования к научным приборам и краткое изложение стадий разработки зонда.

Планируемые события[править | править вики-текст]

  • В 2013 году ожидается подписание соглашения между ЕКА и Роскосмосом об участии России в проекте: о предоставлении российской стороной ракеты-носителя и о интеграции миссий JUICE и «Лаплас-П». Объединение программ, по словам представителей ЕКА, возможно лишь при условии того, что Россия успеет подготовить свой спускаемый аппарат по изучению Ганимеда к 2022 году. В этом случае обе программы будут объединены в одну и станут взаимовыгодными.
  • До 2015 года миссия JUICE будет находиться в так называемой definition phase — фазе эскизных проектов инструментов и самого аппарата.
  • 2015 год — этап опытно-конструкторских работ.
  • Конец 2018 года — все подрядчики должны поставить научную аппаратуру в Европейское космическое агентство для непосредственной сборки аппарата.

Предпосылки миссии[править | править вики-текст]

В 1995 аппарат Галилео прибыл в систему Юпитера чтобы провести детальные исследования планеты и ее спутников, вслед за миссиями Пионеров 10 и 11, Вояджеров 1 и 2 и Улисса. Особое внимание было уделено исследованиям четырех галилеевых спутников — Ио, Европе, Ганимеду и Каллисто — у которых (за исключением Ио) были обнаружены подповерхностные океаны. «Галилео» также удалось обнаружить у Ганимеда магнитное поле, которое генерируется, вероятно, в результате конвекции в жидком ядре.

Исследования, проведенные аппаратом Кассини в начале XXI столетия, показали, что спутники Сатурна — Энцелад и Титан — также имеют подповерхностные жидкие океаны.

Эти открытия привели к появлению новой парадигмы обитаемых миров, согласно которой ледяные спутники газовых гигантов являются благоприятными местами для зарождения жизни. Вероятно, экзопланеты, имеющие ледяные спутники с подповерхностным океаном, могут быть гораздо более распространенным явлением во Вселенной, чем планеты наподобие нашей Земли, для появления жизни на которых требуются особые условия. «Галилео» сделал важное открытие, а именно — наличие магнитного поля у Ганимеда, единственного спутника в солнечной системе, имеющего подобное поле. Ганимед и Европа, как считается, до сих пор внутренне активны из-за сильнейшего приливного воздействия Юпитера.

Еще в период функционирования «Галилео», а также после его схода с орбиты в 2003 году, научное сообщество неоднократно предпринимало попытки выбить финансирование на очередную миссию по исследованию системы Юпитера. Почти все они были отклонены по двум основным причинам — вследствие высокой сложности и недостатка средств.

Миссия запущенного 5 августа 2011 года зонда Юнона с прибытием к Юпитеру в 2016 году сфокусирована исключительно на изучении самого газового гиганта и не рассчитана на исследования его спутников. Теоретически возможности цветной камеры Юноны позволят получить изображения ближайшего галилеевого спутника Юпитера, Ио. Однако даже при самых благоприятных условиях размер изображений ввиду особенностей камеры Юноны будет ничтожно малым: если Ио будет находиться прямо над Юноной, на расстоянии около 345 тыс. км, то разрешение изображений составит всего лишь 232 км на пискель или около 16 пикселей в поперечнике. Изображения остальных спутников будут еще менее четкими[3]. В то же время, научный интерес представляют лишь снимки, которые будут иметь разрешение от нескольких километров до нескольких метров на пиксель (например, максимальная детализация изображений камеры «Галилео» при съемке поверхности Европы составила 6 м на пиксель).

Сценарий миссии[править | править вики-текст]

Фаза межпланетного перелета[4]

  • Сентябрь 2022 года — запуск (резервные запуски — 2023 и 2024 годы, в этом случае перелет займет 9 лет).

Фаза Jupiter Tour

  • Январь 2030 года — прибытие в систему Юпитера (датировка здесь и далее — с учетом выбора Ариан 5 в качестве ракеты-носителя). До декабря 2030 года JUICE проведет на эллиптической орбите за орбитой Ганимеда, таким образом избежав влияния радиационных поясов. За этот период будут проведены детальные исследования внутренней магнитосферы Юпитера, а также наблюдения за его атмосферой.
  • Февраль — март 2031 года — 2 облета Европы в течение 36 дней.
  • Апрель — октябрь 2031 года — изучение Юпитера. 9 облетов Каллисто с целью изучения внутренней структуры, поверхности и экзосферы. Удаленные наблюдения Ганимеда, Европы, Ио и малых лун Юпитера.
  • Ноябрь 2031 — август 2032 года — изучение взаимодействия магнитных полей Ганимеда и Юпитера. Изучение атмосферы и магнитосферы Юпитера.

Фаза Ganymede Tour

  • Сентябрь 2032 — октябрь 2032 года — исследование Ганимеда с эллиптической (200 × 10 000 км) орбиты (30 дней) на предмет установления прошлой и существующей активности.
  • Октябрь 2032 — январь 2033 года — исследование Ганимеда с высоты 5000 км (90 дней).
  • Январь — февраль 2033 года — исследование Ганимеда с эллиптической (200 × 10 000 км) орбиты (30 дней) на предмет его взаимодействия с магнитосферой Юпитера.
  • Февраль — июнь 2033 года — исследование Ганимеда с высоты 500 км (102 дня) не предмет изучения структуры ледяной коры и ее возможного взаимодействия с подповерхностным океаном.
  • Июнь — июль 2033 — исследование Ганимеда с высоты 200 км и завершение миссии (30 дней). Если к этому времени JUICE будет нормально функционировать, его миссия будет продлена. В этом случае продолжатся исследования Ганимеда с высоты 200 км. По истощении ресурсов аппарата, он будет сведен с орбиты и врежется в поверхность Ганимеда.

Научные цели[править | править вики-текст]

JUICE охарактеризует Европу, Ганимед и Каллисто с точки зрения их внутреннего строения, состава и геологической активности, определит области с подповерхностными океанами и расширит наши знания касательно возможной обитаемости этих миров. JUICE сделает измерения толщины ледяной корки Европы и определит место для будущих исследований. Миссия предусматривает также изучение самого Юпитера и взаимодействие галилеевых спутников с газовым гигантом. Юпитер является архетипом планет-гигантов, которые во множестве были обнаружены вокруг других звезд. Миссия JUICE позволит лучше понимать потенциал газовых гигантов и их спутников для существования жизни. Общее время исследований — 3,5 года.

Ганимед[править | править вики-текст]

Большую часть своей миссии JUICE будет исследовать Ганимед. Ганимед, прежде всего, интересен тем, что является единственным спутником в Солнечной системе, который генерирует собственное магнитное поле. Кроме того, существует гипотеза о наличии на нем подповерхностного океана жидкой воды. Общее время близких исследований — 280 дней, в течение которых JUICE совершит множество облетов спутника на различной высоте. Будет составлена глобальная карта спутника с разрешением 400 м на пиксель. Съемка наиболее интересных объектов будет произведена с разрешением до нескольких метров на пиксель.

Целевые научные исследования Ганимеда следующие:

  • Характеристика подповерхностного океана и обнаружение предполагаемых подземных водоемов. По некоторым моделям, если под ледяной корой находится океан жидкой воды, то высота прилива составит около 7 м; в противном случае всего 0,5 м. Измерение приливов позволит оценить объемы жидкой фазы под поверхностью.
  • Топографическое, геологическое и композиционное картографирование поверхности. Снимки высокого разрешения Ганимеда есть лишь для немногих районов, глобальные же карты построены по изображениям низкого разрешения. На основе алтиметрии (измерения высот) поверхности спутника и глобальных спектральных измерений с орбиты будут построены геологические карты.
  • Изучение физических свойств ледяной коры. Поверхность Ганимеда состоит, в основном, из водяного льда (по разным оценкам, от 50 до 90 %), а также «сухого льда» (замороженной углекислоты, однако, она есть не во всех районах; нет ее, в частности, на полюсах); других газов (двуокиси серы, аммиака), гидратированных минералов, а также пока не идентифицированных веществ — возможно, органических, как, например, фолин. Если удастся отождествить эти «неопознанные» вещества с органикой, то возникает интересный вопрос — были ли они принесены извне, например, метеоритами, или попали на поверхности изнутри, из недр Ганимеда? Ответ на него прямо влияет на наше понимание того, могла ли на этом небесном теле зародиться жизнь.
  • Характеристика внутреннего строения.
  • Исследование экзосферы, состоящей из молекулярного и атомарного водорода, такого же кислорода и воды. Акцент в этих исследованиях будет сделан на понимание происхождение экзосферы и ответ на вопрос пополняют ли ее частицы поверхности или она образуется в результате выброса вещества из-под поверхности.
  • Изучение собственного магнитного поля Ганимеда и его взаимодействия с магнитосферой Юпитера. В результате сложения трех компонентов: собственного, и достаточно мощного, магнитного поля спутника, магнитного поля, индуцированного наведенными зарядами вследствие изменений магнитного поля Юпитера, и собственного магнитного поля планеты-гиганта — образуется очень сложная система, отчасти напоминающая земную, но и отличная от нее по ряду параметров.

Каллисто[править | править вики-текст]

Близкие исследования Каллисто продлятся 200 дней, общие — 2 года, в течение которых JUICE совершит 12 витков вокруг спутника.

Целевые научные исследования Каллисто следующие:

  • Характеристика внешних оболочек, включая подповерхностный океан.
  • Определение состава веществ, не относящихся к ледовому покрытию.
  • Изучение прошлой активности.

Европа[править | править вики-текст]

В связи с относительно невысоким уровнем радиационной защиты планируется только 2 облета Европы на высоте 400—500 км от поверхности спутника (полноценное изучение этого спутника потребовало бы от JUICE порядка 50—100 облётов). В качестве объектов исследования в период максимальных сближений зонда с поверхностью выбраны Thera и Thrace Macula, а также Lenticulae. Длительность подробного изучения Европы составит 36 дней, общее — около года (удаленные исследования). Акцент в исследовании Европы будет сделан не на поиск органики, а на понимание образования ледяной коры спутника и ее состава. JUICE будет первым земным аппаратом, осуществившим сканирование поверхности Европы и определившим как минимальную толщину ледяной корки под самыми активными областями спутника, так и глубину океана под ними.

Целевые научные исследования Европы следующие:

  • Определение состава веществ, не относящихся к ледовому покрытию.
  • Исследование водоемов под наиболее активными местами. Эти исследования помогут выяснить, насколько жидкость океана Европы похожа по составу на земные океаны.
  • Исследование процессов, происходивших относительно недавно (считается, что поверхность Европы очень молодая — возраст не превышает 180 млн лет, а возраст полыней, периодически появляющихся на поверхности, не превышает 50—100 тыс. лет). Также предстоит выяснить геологическую активность спутника.

Ио[править | править вики-текст]

В отличие от предшественника JUICE — аппарата «Галилео» — исследования Ио будут вестись только дистанционно, с расстояния не далее орбиты Европы. Это связано с тем, что в целях сохранения стоимости миссии в районе 1 млрд евро радиационная защита зонда будет не в состоянии обеспечивать защиту электроники вблизи Юпитера на требуемом уровне (по этой же причине запланировано только два облета Европы). Тем не менее, JUICE проведет дистанционные исследования вулканической активности спутника.

Юпитер[править | править вики-текст]

Исследования Юпитера:

  • Изучение структуры, состава и динамики атмосферы.
  • Изучение магнитосферы.
Ганимед (множество облётов)
Каллисто (12 облётов)
Европа (два облёта)
Юпитер (пролётная траектория)

Характеристики[править | править вики-текст]

Ракета-носитель[править | править вики-текст]

Зонд JUICE будет выведен на орбиту либо европейской ракетой-носителем Ариан 5, либо российской ракетой-носителем Протон-М. В случае утверждения Ариан 5 полет потребует EVEE-маневра (Земля — Венера — Земля — Земля) и займет 7,6 лет.

Конструкция[править | править вики-текст]

  • High-gain антенна — от 3,2 м.
  • Объем передаваемых на Землю данных — не менее 1,4 Гбайт в день.
  • Источник энергии — солнечные панели площадью от 60 до 75 м² с вырабатываемой энергией 46 Вт/м². Решение использовать солнечные панели вместо радиоизотопных источников энергии продиктовано не столько финансовой стороной вопроса (панели значительно дешевле, хотя их эффективность на орбите Юпитера в 25 раз меньше, чем на земной), сколько достаточной для нормального функционирования панелей удаленностью Ганимеда от радиационных поясов Юпитера.
  • Вес аппарата при запуске — 1800 кг.
  • Топливо — 2900 кг.
  • Главный двигатель: тяга — 424 Н, удельный импульс — 321 с. Малые двигатели — 8 штук с тягой 22 Н каждый.
  • Флеш-память — 48 Гбайт — 1 Тбайт.
  • По состоянию на ноябрь 2011 года имеются определенные трудности в обеспечении защиты будущего КА от радиации. Предполагаемая масса защиты — от 155 до 172 кг, алюминиевый сплав. Почти 60 % от общей дозы облучения будут получены во время изучения Ганимеда, около 25 % — в течение двух облётов Европы и около 9 % — в течение всех облетов Каллисто. Оставшаяся доля облучения будет получена аппаратом во время исследования системы Юпитера. Общее воздействие низких энергий на зонд за номинальный период миссии будет сопоставимо с воздействием низких энергий за 10—15 лет работы аппаратов, функционирующих на геостационарной орбите. Также при разработке радиационной защиты JUICE будут учитываться данные о радиационном фоне Юпитера, которые будут получены зондом «Юнона» в 2016 году.

Научная аппаратура[править | править вики-текст]

JUICE будет иметь 11 научных приборов общей массой 104 кг. В создании примут участие ученые из 15 европейских стран, а также из США, Японии и России. Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) разработает аппаратуру для приема и передачи сигнала радара на Землю.

Инструменты дистанционного зондирования:

  • Узкоугольная камера (NAC, разрешение: 1024×1024 пикселей).
  • Широкоугольная камера (WAC, разрешение: 1024×1024 пикселей).
  • Moons and Jupiter Imaging Spectrometer (MAJIS). Страна-разработчик: Франция. Вес: 26,1 кг.
  • UV Imaging Spectrograph (UVS). Этот прибор позволит изучить взаимодействие атмосфер и поверхностей лун с Юпитером. Прибор также позволит определить как верхний слой атмосферы Юпитера взаимодействует с нижним, а также с ионосферой и магнитосферой. Прибор позволит получить изображения полярных сияний Юпитера и Ганимеда. Страна-разработчик: США. Вес: 7,4 кг.
  • Sub-millimetre Wave Instrument (SWI, субмиллиметровый спектрометр ). Этот прибор позволит исследовать структуру, состав и динамику средней атмосферы Юпитера и экзосфер его лун, а также теплофизические свойства поверхностей спутников. Страна-разработчик: Германия, Россия. Вес: 12 кг. Один из элементов инструмента SWI - терагерцевый гетеродинный детектор - будет создан лаборатории терагерцевой спектроскопии Московского физико-технического института (МФТИ) под руководством Бориса Горшунова в сотрудничестве с «мегагрантовской» лабораторией инфракрасной спектроскопии Владимира Краснопольского. Только при помощи терагерцевого гетеродинного детектора оказывается возможным установить напрямую скорости потоков ветра в разных слоях атмосферы Юпитера. Во-вторых, при его помощи можно, не проникая под многокилометровую толщу льда Европы и Ганимеда, узнать состав их океанов — по проникшим через разломы в ледяной коре в открытый космос летучим веществам, предельно малые концентрации которых способен детектировать прибор[5].

Инструменты для исследования магнитосфер Юпитера и Ганимеда:

  • Magnetometer for JUICE (J-MAG). Страна-разработчик: Великобритания. Вес: 2,9 кг.
  • Particle Environment Package (PEP). Страна-разработчик: Швеция. Вес: 19,5 кг.
  • Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI). Страна-разработчик: Швеция. Вес: 11,8 кг.

Инструменты для исследования физической структуры лун во время близких облетов:

  • Ganymede Laser Altimeter (GALA). Лазерный алтиметр позволит получить данные о топографии, форме и деформации ледяных поверхностей лун Юпитера, вызванных приливными силами. Он также будет играть важнейшую роль при формировании орбиты зонда в гравитационных полях лун. Страна-разработчик: Германия. Вес: 15,2 кг.
  • Radar for Icy Moons Exploration (RIME). Этот прибор с 16-м антенной позволит просканировать поверхность лун на глубину до 9 км. Страна-разработчик: Италия. Вес: 11,7 кг.
  • Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons (3GM). Этот прибор позволит охарактеризовать внутреннюю структуру и подповерхностные океаны Ганимеда, Каллисто и, возможно, Европы. Страна-разработчик: Италия. Вес: 6,8 кг.

Схожие миссии[править | править вики-текст]

Современное поколение АМС, предназначенных для исследования системы Юпитера с прибытием в конце 2020-х гг., состоит из аппаратов европейского, российского и американского космических агентств. Это JUICE (ЕКА), Лаплас-П (Роскосмос) и еще не утвержденный Europa Clipper (НАСА). Успех этих миссий во многом обеспечит будущее развитие спускаемых аппаратов на поверхность галилеевых спутников в 2030-х и/или 2040-х гг.

Europa Clipper (НАСА)[править | править вики-текст]

Проект НАСА для исследования Европы, появившийся сразу после выхода США из международной программы Europa Jupiter System Mission и отмены миссии Jupiter Europa Orbiter. Оптимальная дата для запуска аппарата будет 21 ноября 2021 года. В этом случае зонд достигнет системы Юпитера спустя шесть лет, а непосредственные исследования Европы начнутся 4 апреля 2028 года[6].

Миссия Europa Clipper, в случае ее утверждения, будет выгодно отличаться от миссии JUICE в части исследования Европы: номинальный гарантированный период работоспособности зонда в районе Европы составит не менее 109 дней (против 36 дней у JUICE). Общее время исследований Европы составит 3,5 года (против 1 года у JUICE), за которые зонд совершит 45 облетов спутника (против 2 облетов у JUICE) на высоте от 2700 до 25 км. Во время ближайшего сближения зонда с поверхностью (25 км от замороженной поверхности спутника против 400—500 км у JUICE) у радара будут максимальные шансы определить толщину ледяной коры Европы и глубину лежащего под ней водного океана (а при наиболее благоприятном стечении обстоятельств — даже его соленость). В течение номинальной миссии Clipper передаст терабит данных, включая изображения высокого разрешения с детализацией вплоть до 0,5 м на пиксель, данные радиолокационного зондирования и спектры поверхности, а также измерения магнитного поля. По полученным в ходе миссии результатам будет определено место посадки спускаемого аппарата в составе следующей миссии.

Лаплас — П (Роскосмос)[править | править вики-текст]

Роскосмос планирует в 2023 году направить для изучения Ганимеда два зонда — орбитальный и посадочный. По состоянию на начало марта 2013 года обсуждается интеграция миссий «Лаплас-П» и JUICE.

Интересные факты[править | править вики-текст]

Примерно за 10 лет до прибытия JUICE в систему Юпитера в строй будет введен Тридцатиметровый телескоп, который сможет получать изображения с такой же детализацией, как у «Галилео» (35 километров на пиксель; в 10 раз лучше телескопа Хаббла)[7][8]. Европейский чрезвычайно большой телескоп, который будет введен в строй также около 2020 года и иметь диаметр зеркала 39 метров, сможет получать изображения с разрешением примерно 25 км на пиксель (в 15 раз лучше телескопа Хаббла).

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]