Как работает самый главный инструмент зонда «Юнона» на Юпитере?
Когда наземные диспетчеры на днях начнут включать научные приборы космического аппарата «Юнона», первым делом им придется проверить работу микроволнового радиометра. Этот радиометр должен считывать показания водяного пара, который поможет указать на место рождения Юпитера в Солнечной системе и изучить его атмосферную структуру, включая и корни таинственного Большого Красного Пятна. «Это совершенно новый инструмент, спроектированный специально для Юпитера», заявил Майкл Янссен из Лаборатории реактивного движения, руководитель Microwave Radiometer Team, команды, занимающейся микроволновым радиометром.
Водяной пар — ценный след образования Юпитера, поскольку содержит много кислорода, присутствующего в атмосфере гигантской планеты, и теоретики считают, что содержание кислорода напрямую зависит от того, как далеко Юпитер образовался от Солнца. В первые дни нашей Солнечной системы бурное молодое Солнце выпаривало кислород и другие летучие материалы из внутренней системы, оставляя формирующимся планетам совсем немного таковых. Миры же, которые собирались подальше от солнца, напротив, включали льды с этими материалами и оказались весьма богаты кислородом. Если микроволновый радиометр «Юноны» обнаружит высокий уровень водяного пара в атмосфере Юпитера, это будет говорить о том, что планета сформировалась дальше от солнца, чем находится сейчас. Широко считается, что Юпитер мигрировал от своего изначального места образования.
Микроволновый радиометр «Юноны» не просто будет исследовать верхние слои облаков Юпитера — он заглянет под аммиачный покров, окружающий большую часть планеты и по большей части прозрачный для микроволн. Более того, поскольку микроволновые выбросы Юпитера отличаются длиной волны в зависимости от давления (как и температуры) атмосферных слоев, в которых они рождаются, наблюдения на разных длинах волн позволят ученым создать поперечное сечение атмосферы. Короткие длины волн предназначены приповерхностным слоям; более длинные погружаются глубже. Радиометр «Юноны» сможет «нырнуть» на глубину порядка 500 километров. Это придется сделать аппарату, поскольку с Земли длинные волны гасятся толстыми слоями высокоэнергетических частиц, захваченных мощным магнитным полем, которое окутывает гигантскую планету.
Этот прибор представляет своего рода радиотелескоп из шести антенн разных размеров, каждая настроенная на конкретную длину волны от 1,37 до 50 сантиметров. (Для сравнения: микроволны вашей микроволновки или беспроводного роутера имеют длину волны порядка 12 сантиметров). Самая большая антенна занимает целую сторону шестиугольного аппарата и представляет собой алюминиевую пластину из сетки алюминиевых панелей, которые работают сообща, измеряя микроволны. В середине прошлой недели Янссен и его группа подтвердила, что радиометр проснулся и зарегистрировал микроволны.
Самым выразительным аспектом радиометра «Юноны» можно назвать его наблюдательную стратегию. Космический аппарат вращается по мере движения через космос, поэтому инструмент буквально «подметает» планету. Он возвращается к одной и той же точке планеты много раз, но каждый раз под немного другим углом наблюдения. «Каждая точка атмосферы изучается под каждым углом», говорит Янссен. Ученые смогут реконструировать структуру атмосферы по измерениям, сделанным под разными углами.
И все же большая часть важнейших исследований «Юноны» будет проводиться на Земле. Радиообсерватория Very Large Array в Нью-Мексико дополнит данные «Юноны» собственным набором микроволновых наблюдений коротких волн. В лабораториях на Земле уже запущена программа, генерирующая данные, необходимые для интерпретации всех микроволновых измерений «Юноны». Пол Штеффс из Georgia Tech и его команда построили «Юпитер в чане». Два стальных сосуда весом в полтонны под давлением имитируют атмосферу Юпитера, от верхнего слоя облаков из жидкого аммиака до глубины в 230 километров, где температура поднимается до 325 градусов по Цельсию, а давление атмосферы в 74 раза превышает земное. Каждый сосуд по объему похож на мусорное ведро и скрепляется 20 гигантскими болтами, чтобы затянуть которые нужно приложить усилия, в 20 раз превышающие усилия для закручивания болтов на автомобильных шинах.
Для измерения излучения и поглощения микроволн в сосудах под давлением Штеффс и его группа используют относительно простой аппарат — оловянную камеру с двумя проводами на одном конце. Это эхо-камера для микроволн. Провода — крошечные антенны, приемник и передатчик. С помощью передатчика команда подает микроволновый сигнал. Он эхом проносится по камере и попадает во второй провод. Эхо сигнала зависит от длины волны, температуры и давления газа, наполняющего камеру. Пробуя разные длины волн и измеряя, как каждый сигнал распространяется в газообразном коктейле камеры, Штеффс и его команда обеспечивают важную калибровочную информацию для данных, полученных «Юноной» о внутренних глубинах Юпитера.
Как всегда в планетарной науке, конечной целью изучения инопланетных миров является понимание нашего собственного мира. «Юнона» не только помогает реконструировать происхождение Земли, но и может пригодиться в других сферах. Основную установку Штеффса можно переделать для изучения атмосферы нашей собственной планеты. Брайан Друин из JPL в настоящее время занимается именно этим, измеряя как температура и давление влияют на радиационные свойства водяного пара на Земле, который оказывает влияние на передачу GPS-сигнала. Возможно, будущие улучшения в точности спутниковой навигации будут обязаны горстке ученых, которые хотели заглянуть в недра Юпитера как можно глубже.