Как миссия JUICE может изменить наши представления о спутниках Юпитера

Солнечная система в миниатюре

Можно сказать, что истоки миссии JUICE были заложены ещё в начале XVII века, когда Галилео Галилей впервые направил сконструированный им телескоп в небо. Более чем скромных характеристик устройства оказалось вполне достаточно, чтобы произвести серию поистине революционных открытий. Так, Галилей увидел горы на Луне и выяснил, что знаменитая полоса Млечного Пути на самом деле состоит из множества звёзд. А когда учёный обратил взор на Юпитер, он с удивлением обнаружил, что у этой планеты целых четыре компаньона. Сам Галилей назвал их «звёздами Медичи» (в честь своих финансовых покровителей), но позже за ними закрепились имена, под которыми они известны по сей день: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто.Открытие спутников Юпитера вбило один из последних гвоздей в крышку гроба геоцентрической системы, согласно которой Земля — центр мироздания и все объекты во Вселенной вращаются вокруг неё. Кроме того, это открытие наглядно продемонстрировало астрономам, что в космосе есть тела, недоступные человеческому глазу.

Позже учёные нашли ещё множество спутников Юпитера. По состоянию на 2023 год их количество уже перевалило за девятый десяток. Но «галилеевская» четвёрка по-прежнему находится в центре внимания астрономов. И чтобы понять почему, достаточно просто посмотреть на размеры спутников. Диаметр самого маленького из них, Европы, составляет 3 120 км — он лишь чуть меньше нашей Луны. Остальные участники квартета ещё больше. Длина Ио в поперечнике достигает 3 660 км, Каллисто — 4 820 км, а Ганимеда — целых 5 260 км (между прочим, он больше Меркурия, диаметр которого 4 880 км). Так что вполне закономерно, что многие исследователи описывают четыре крупнейших спутника Юпитера термином «Солнечная система в миниатюре».При этом ещё не так давно астрономы практически ничего не знали об этих мирах. Ситуация изменилась лишь после того, как в конце 1970-х Юпитер навестили зонды «Вояджер». Главной «звездой» того исторического визита стала Ио. Этот спутник поразил учёных своей непрекращающейся вулканической активностью, которая постоянно буквально перекраивает его поверхность.Но по мере анализа данных «Вояджеров» выяснилось, что и оставшейся тройке тоже есть чем похвастаться. Европа оказалась похожа на гигантский бильярдный шар. Её поверхность полностью покрыта ярким льдом, и потому Европа одна из самых ровных в Солнечной системе. Там вообще нет гор — есть лишь немногочисленные образования вроде холмов высотой не более нескольких сотен метров. А ещё на спутнике очень мало ударных кратеров, что говорит о геологической молодости его поверхности и наличии какого-то внутреннего механизма, благодаря которому шрамы от космических бомбардировок «затягиваются». Чтобы объяснить этот феномен, астрономы, помимо прочего, выдвинули такое предположение: возможно, в недрах Европы скрывается океан.

У Ганимеда же обнаружилось собственное магнитное поле. На сегодняшний день это единственный известный нам спутник планеты в Солнечной системе, который может похвастаться такой характеристикой. Этот факт впечатляет ещё больше, если вспомнить, что магнитное поле есть далеко не у всех планет Солнечной системы (например, его нет ни у Венеры, ни у Марса).

В 1990-е Юпитер и его спутники посетил новый исследователь — зонд Galileo. К сожалению, из-за выхода из строя его основной антенны аппарат передал на Землю меньше данных, чем хотелось бы астрономам. Но даже эти данные заинтриговали научное сообщество. Результаты наблюдений Европы укрепили исследователей в мысли, что на ней есть скрытый океан. И ещё какой: его глубина может достигать 100 км! Даже по самым консервативным оценкам в нём содержится больше воды, чем во всех земных водоёмах, вместе взятых.

Более того, проанализировав взаимодействие спутников Юпитера с его магнитным полем, учёные предположили, что Каллисто и Ганимед также могут обладать подповерхностными океанами. Причём в случае с Ганимедом речь может идти об океанах во множественном числе. Результаты моделирования говорят о том, что недра спутника напоминают «сэндвич». Речь идёт о нескольких океанах, отделённых друг от друга прослойками, которые состоят из модификаций льда разных типов. И если проявить немного фантазии и предположить, что в каждом из этих водоёмов есть какая-то жизнь, то, скорее всего, речь будет идти о совершенно независимых друг от друга биосферах, которые могли развиваться по настолько отличающимся сценариям, что их обитатели будут выглядеть как инопланетяне по отношению друг к другу. Честно говоря, даже кажется немного странным, что современные фантасты до сих пор не использовали столь увлекательную идею в своих произведениях.

Аппарат Galileo завершил работу в 2003 году. С тех пор западное научное сообщество начало активно лоббировать запуск нового аппарата, который бы занялся исследованием спутников Юпитера и их океанов.C 2016 года на орбите вокруг Юпитера находится зонд Juno. Он предназначен для изучения самой планеты, а не её спутников, однако за последние годы совершил пару близких пролётов Европы и Ганимеда. В результате астрономы, по крайней мере, получили новые изображения их поверхности.В нулевые NASA и ESA разработали совместную программу Europa Jupiter System Mission — Laplace. В её рамках космические агентства собирались запустить пару исследовательских зондов, которые должны были выйти на орбиты вокруг двух ледяных спутников Юпитера. Американскому агентству досталась Европа, а европейскому — Ганимед. Также предполагалось, что в будущем к программе присоединятся и другие страны, в частности Япония и Россия.Европейский проект получил название Jupiter Ganymede Orbiter. Он предполагал строительство 950-килограммового аппарата. Его запуск был запланирован на 2020 год, выход на орбиту вокруг Ганимеда — на 2025–2026 год.К сожалению, из-за проблем с финансированием NASA в какой-то момент решило выйти из программы. А вот руководство ESA проявило куда большую настойчивость и оставило миссию к Юпитеру в своих планах. Более того, организация решила сделать её своим приоритетным проектом на 2020-е годы. Это привело к расширению целей миссии. Теперь учёные должны будут исследовать не только Ганимед, но также Европу и Каллисто.Всё это потребовало создать принципиально иной космический аппарат. Так что проектировщикам Jupiter Ganymede Orbiter пришлось выбросить старые наработки и начать всё с нуля. В какой-то момент сменилось и название. Миссия к Юпитеру стала известна как Jupiter Icy Moons Explorer, что для удобства обычно сокращают до JUICE.

Техническое устройство JUICE

Строительство JUICE началось в 2015 году. Изготовлением его компонентов занималось больше 80 разных компаний во главе с европейским аэрокосмическим гигантом Airbus. Сборка аппарата завершилась в мае 2022 года, после чего он успешно прошёл все необходимые испытания. Общая смета проекта составила 870 млн евро.Что же представляет собой аппарат?

Juice в чистой комнате при подготовке к полёту / © ESAДля начала его масса (с учётом топлива) превышает 6 тонн — внушительная цифра по меркам межпланетных миссий. За всю историю космонавтики больше весили лишь советские «Фобосы» и китайский «Чанъэ-5». Столь солидная масса обусловлена совокупностью нескольких факторов.Во-первых, JUICE придётся совершить множество разнообразных манёвров, которые потребуют активного использования двигателей. Так что почти две трети массы станции приходится на топливо.Во-вторых, свою роль сыграл и пункт назначения. Дело в том, что окрестности Юпитера — далеко не самое благоприятное место для работы космической техники. Радиационные пояса у газового гиганта самые мощные во всей Солнечной системе. Конечно, орбиту JUICE выстроят таким образом, чтобы максимально их избегать. Но аппарат всё равно будет подвергаться повышенному уровню излучения, что требует усиленной защиты для его электроники. А это дополнительная масса.Кстати, именно из-за опасного излучения JUICE будет изучать лишь три из четырёх крупнейших спутников Юпитера. Орбита Ио проходит прямо посередине одного из радиационных поясов Юпитера, что делает визиты к ней довольно рискованным предприятием.Кроме того, не стоит забывать, что Юпитер находится на значительном расстоянии от Солнца. Его окрестности получают в среднем в 27 раз меньше света, чем Земля. Поскольку ESA не использует на своих космических аппаратах радиоизотопные термоэлектрогенераторы (или РИТЭГи; они вырабатывают энергию за счёт распада радиоактивных элементов), единственным вариантом энергоснабжения JUICE была установка солнечных батарей весьма внушительного размера. Инженеры оборудовали зонд двумя крестообразными панелями с суммарной площадью рабочей поверхности почти в 90 м2. Сейчас это рекорд для космических аппаратов, покидавших окрестности Земли.Научная начинка аппарата включает в себя десять приборов, разработанных различными европейскими учреждениями при поддержке NASA и JAXA. JUICE получил камеру высокого разрешения, предназначенную для съёмки поверхности ледяных лун, пару спектрометров, спектрограф, магнитометр, радар, лазерный альтиметр, а также инструменты для измерения характеристик заряженных частиц и гравитационных полей. Связь с Землей будет поддерживаться с помощью антенны диаметром 3,2 м. Ожидается, что она обеспечит передачу порядка 1,4 Гб данных в сутки.В JUICE также есть небольшая «пасхалка». На корпусе аппарата установлена мемориальная табличка с выгравированным изображением страниц из трактата Галилея Sidereus Nuncius («Звёздный вестник»). Именно в нём учёный впервые поведал миру об обнаружении «звёзд Медичи».

Восемь лет до Юпитера

JUICE стартовал на ракете Ariane 5 с космодрома Куру во Французской Гвиане 14 апреля 2023 года. Этот запуск стал последним для Ariane 5: после него ракета будет официально выведена из эксплуатации и отправлена в отставку. Чтобы достичь Юпитера, зонд осуществит четыре гравитационных манёвра. Первый состоится в августе 2024 года, когда JUICE выполнит «сдвоенный» пролёт: вначале навестит Луну, а через полтора дня и Землю. Спустя год аппарат посетит окрестности Венеры. В сентябре 2026 года JUICE во второй раз сблизится с Землёй, затем пройдёт через пояс астероидов, чтобы потом вновь вернуться к нашей планете. В третий и последний раз JUICE встретится с ней в январе 2029 года. Набранная в ходе этого манёвра скорость наконец-то позволит зонду направиться к Юпитеру.

В октябре 2029 года JUICE пройдёт на довольно небольшом расстоянии от 80-километрового астероида Роза. Сейчас ESA изучает возможность изменить орбиту JUICE так, чтобы выполнить его близкий пролёт. Этот визит не только позволит изучить новый объект Солнечной системы, но и станет неплохой тренировкой для специалистов миссии. Во время пролёта астероида они смогут потренироваться в организации наблюдений и заодно откалибровать инструменты.

Орбитальный танец у лун Юпитера

В начале 2031 года JUICE приступит к регулярным наблюдениям Юпитера. В июле того же года он достигнет окрестностей газового гиганта и выполнит первый пролёт Ганимеда. Манёвр позволит аппарату выйти на промежуточную орбиту вокруг планеты.Это станет лишь прелюдией к последующему «орбитальному танцу», в ходе которого JUICE свыше трёх десятков раз сблизится с ледяными лунами Юпитера. Так, в июле 2032 года JUICE осуществит первый из двух пролётов Европы, намеченных планом миссии. Учёные с нетерпением ждут этого события. JUICE должен будет изучить поверхность спутника и заняться поиском потенциальных гейзеров.

Результаты наблюдений, выполненных наземными обсерваториями и телескопом «Хаббл», указывают на то, что на Европе могут быть активные гейзеры, которые подпитываются небольшими подповерхностными водоёмами, а эти водоёмы, в свою очередь, могут быть связаны с внутренним океаном. Если это так и JUICE повезёт пролететь через один из гейзеров, аппарат сразу проведёт детальный химический анализ воды.Следующим шагом станет серия сближений JUICE с Каллисто. За время миссии он выполнит в общей сложности 21 пролёт спутника. Эти манёвры преследуют двойную цель.Во-первых, нужно тщательно исследовать эту луну. Да, на фоне Ио, Европы и Ганимеда Каллисто выглядит серой мышью. У неё нет магнитного поля и следов гейзеров, а её поверхность покрыта довольно древними кратерами. Но именно Каллисто лучше всего подходит своими условиями для потенциальной человеческой колонизации. К тому же в истории астрономии хватает примеров, когда небесные тела, казавшиеся невзрачными, преподносили удивительные открытия. Так что как знать? Возможно, в итоге Каллисто окажется не серой мышью, а серым кардиналом среди спутников Юпитера.Во-вторых, в результате манёвров JUICE использует гравитацию Каллисто, чтобы увеличить наклонение своей орбиты относительно экватора Юпитера. Это позволит аппарату провести наблюдения полярных регионов Юпитера, которые невозможно увидеть с Земли.Следующий этап миссии начнётся в 2034 году. JUICE выполнит манёвр, который переведёт его на орбиту вокруг Ганимеда, и станет первым в истории космическим аппаратом, вышедшим на постоянную орбиту вокруг спутника другой планеты.

Изначально JUICE займёт 5000-километровую орбиту вокруг Ганимеда. Потом аппарат станет постепенно снижать высоту, пока не закрепится на финальной отметке в 500 км. С этой позиции JUICE будет детально картографировать поверхность Ганимеда, а также изучать его магнитосферу и проникать радаром в ледяные недра. Эти данные помогут подтвердить или опровергнуть теорию о «сэндвичевом» строении спутника.У Ганимеда нет сколько-нибудь значимой по человеческим меркам атмосферы. Но из-за неоднородности гравитационного поля самого спутника, а также из-за влияния Юпитера и других его лун высота орбиты JUICE будет постепенно снижаться. Противостоять этому воздействию аппарату помогут двигатели. Но рано или поздно запасы топлива подойдут к концу — затем JUICE потеряет возможность удерживать орбиту и со временем разобьётся о ледяную поверхность Ганимеда. По предварительным расчётам, это произойдёт где-то в конце 2035 года. Но миссия длительная, и есть вероятность, что её план будет меняться, так что пока слишком рано давать конкретные прогнозы по датам.

Благодаря JUICE багаж наших знаний о ледяных лунах Юпитера и об их океанах может радикально увеличиться. Конечно, сейчас кажется маловероятным, что аппарату удастся найти прямые и неопровержимые доказательства существования жизни в одном из этих океанов. Но данных JUICE должно хватить как минимум на то, чтобы провести базовую оценку обитаемости спутников. И в дальнейшем это наверняка пригодится конструкторам миссий к тем самым океанам. Если же в одном из них действительно скрывается жизнь, вполне вероятно, что именно JUICE позволит нам сделать первый шаг к её обнаружению.

Хоть NASA и вышло из программы по изучению лун Юпитера, со временем американское научное сообщество всё же продавило идею аналогичной миссии. Она получила название Europa Clipper. Аппарат запустят в 2024 году, но с более мощной ракетой Falcon Heavy, так что он доберётся до Юпитера уже в 2030 году.Europa Clipper и JUICE независимые проекты, но при этом они дополняют друг друга. Приоритетная задача американского аппарата — изучение Европы, но также он выполнит несколько пролётов Ганимеда и Каллисто. JUICE, наоборот, сосредоточится на Ганимеде и Каллисто, параллельно навестив и Европу.Таким образом, два космических агентства как бы подстраховывают друг друга. Даже если с одним из аппаратов случится беда, второй соберёт по крайней мере часть данных, которые интересуют исследователей. Также NASA и ESA наверняка воспользуются присутствием у Юпитера сразу двух зондов, чтобы провести совместные наблюдения его спутников.