Вода, ядро и металлический водород: что "Юнона" расскажет о Юпитере?

Едва ли не всё, что мы знаем о Юпитере, может сильно измениться уже в ближайшие месяцы. Необычный космический аппарат NASA позволит понять, что кроется под красочными узорами юпитерианской атмосферы и есть ли на Юпитере значительные объёмы воды. Ждать осталось недолго — уже в седьмом часу утра по Москве аппарат "притормозит" у планеты-цели, а вскоре и приступит к её плотному изучению.

Путь к цели

Путь "Джуно" к далёкой планете начался ещё пять лет назад — и вовсе не был быстрым. Хотя расстояние от Земли до Юпитера 0,7—1,5 миллиарда километра, космический аппарат уже преодолел 2,8 миллиарда километра (со скоростью примерно 17 километров в секунду). Это неслучайно — доставить несколько тонн на сотни миллионов километров с имеющимися на Земле ракетами очень непросто. Поэтому для разгона зонд применил так называемую "гравитационную пращу" — сначала совершил виток с возвращением к Земле, затем за счёт её тяготения набрал дополнительную скорость, нужную для прибытия к Юпитеру. Сразу погасить её не получится, завтра "Джуно" начнёт переход на временную орбиту. Лишь к 19 октября 2016 года аппарат выйдет на постоянную приполярную орбиту. Она будет весьма вытянутой, а самая нижняя её точка будет всего в 4100 километрах от границы атмосферы исследуемого тела.

Под облаками

До сих пор астрономы могли лишь "поскрести" по верхушкам облачного слоя Юпитера. Ответ на ключевой вопрос — что находится под ним — до сих пор толком неизвестен.

А значение его огромно. Юпитер не просто в дюжину раз больше Земли и в сотни раз тяжелее. Он — краеугольный камень нашей планетарной системы. Его вес в 2,5 раза больше, чем у всех остальных её планет вместе взятых. Между тем известно об этой махине не так уж и много. Даже путь её формирования покрыт тайной. Согласно одной из основных версий, вначале было некое скалистое ядро — что-то вроде увеличенной в размерах Земли. Проносясь через протопланетное облако, оно притягивало его газы, постепенно образовав гигантскую планету. Если это так, то в её составе могло оказаться немало воды и других элементов помимо водорода и гелия. Точно узнать сложно: тропосфера создаёт что-то вроде ловушки, не дающей многим соединениям подниматься в верхние слои газовой оболочки гиганта.

Альтернативный сценарий "резкого" формирования предполагает одномоментный коллапс большого фрагмента протопланетного облака. Тогда твёрдого ядра, быть может, на Юпитере и нет вовсе, а резкий нагрев при схлопывании фрагмента облака мог лишить планету значимого количества воды.

Впрочем, дело не только в воде и ядре. По современным взглядам, каменистое ядро, если оно есть, окружает не мантия, как на Земле, а толстый слой металлического водорода. Он сравнительно твёрдый и электропроводный. Если это так, именно в нём может образовываться то самое мощнейшее магнитное поле Юпитера, которое наблюдают астрономы. От детальных знаний об этом поле зависит, сколько мы сможем узнать о порождающем его твёрдом слое и условиях формирования самой планеты 4,5 миллиарда лет назад. Выяснить, как она устроена, одними расчётами очень сложно. Лишь недавно учёные обнаружили, что в условиях Юпитера водород может быть не только газом или металлом, но и чем-то средним. Если это так, толщину слоя "тёмного водорода" узнать было бы не менее интересно.

Все эти вопросы не назовёшь чисто теоретическими. Без точных знаний о том, как формировались крупнейшие планеты, не прояснить и механизм формирования Земли. Значительная часть наших представлений о том, что находится в самых глубоких её слоях, почерпнуто из теоретических выкладок. Однако они чрезвычайно зависимы от базовых сценариев планетообразования. Из-за многих связанных с ним загадок в геологии Земли до сих пор есть не слишком ясные моменты. Как это ни странно, изучать далёкий Юпитер надо в том числе и потому, что без этого нам не понять, что находится у нас под ногами.

"Глаза" и "уши"

Что же несёт с собой аппарат, миссия которого обойдётся NASA в 1,1 миллиарда долларов? Его символическая нагрузка состоит из трёх алюминиевых фигурок — статуэток Юпитера, его жены Юноны и астронома Галилея, открывшего спутники этой планеты. Впрочем, научная роль этой части полезной нагрузки будет ограниченной. Более важно то, что космический зонд "Джуно" — самый совершенный из всех аппаратов, которые человечество когда-либо направляло к крупнейшей планете нашей Солнечной системы.

Чтобы ответить на многочисленные загадки, связанные с планетой, "Джуно" пришлось сделать непохожим на другие зонды. При весе в 3,6 тонны он получает питание от солнечных батарей — самых больших из когда-либо установленных на таких аппаратах (длина одной панели 12 метров). Они потребовались потому, что незадолго до его запуска российские поставки плутония-238 для ядерного энергообеспечения американских зондов были прекращены. Тем не менее и 400 ватт мощности фотоэлементов хватит для обеспечения работы девяти научных приборов, которые несёт зонд. Мы не станем перечислять их все, ограничившись важнейшими.

Микроволновый радиометр позволит уловить микроволны, излучаемые веществами юпитерианской атмосферы на глубине до 600 километров. Благодаря этим волнам удастся построить температурную карту верхних слоёв атмосферы планеты и понять, как устроены существующие в ней бури. На данный момент всё это крайне неясно.

Инфракрасный прибор картографирования полярных сияний изучит более близкие слои атмосферы, где образуются сильнейшие полярные сияния в нашей системе. Вместе с другими приборами они позволят установить соотношение изотопов водорода и кислорода в верхних слоях атмосферы Юпитера. Исходя из этого можно будет понять — есть ли вода под облачным слоем планеты. По одним моделям, она там присутствует, причём как в виде ледяных частиц, так и капель. Если она там есть, это окажет сильнейшее влияние на научные представления о том, что происходит ниже облачного слоя этой планеты. Магнитометр позволит создать трёхмерную карту магнитного поля Юпитера — также впервые.

Ещё более важную роль играет гравиметр. Он работает за счёт эффекта Доплера. Когда гравитационное поле Юпитера будет влиять на скорость движения "Джуно", радиоволны, идущие от гравиметра к Земле, изменят частоту. Измерив эти изменения, можно получить точную карту гравитационных аномалий Юпитера. Так же, как и с земными магнитными аномалиями, это позволит понять, что скрывается под её поверхностью. На сегодня это очень большой и плохо понятный вопрос. Одни модели показывают, что у Юпитера есть каменное ядро куда массивнее земного, другие — что никакого ядра там нет вовсе. Как мы уже отметили выше, это даст возможность понять, как формировалась гигантская планета, да и остальные тела нашей Солнечной системы.

Даже людям, далёким от планетологии, немало нового принесёт другой прибор — JunoCam. Он сможет снять планету с беспрецедентным качеством — 15 километров на пиксель (на удалении в 4300 километров). Пока лучшие снимки Юпитера делались космическими телескопами с сотен миллионов километров, поэтому они дали всего 119 километров на пиксель. Так что без качественных картинок мы вряд ли останемся.

Радиационный ад

Миссия к Юпитеру является необычайно сложной в силу чудовищно неблагоприятных условий, в которых будет находиться "Юнона" во время работы. Магнитосфера Юпитера крайне мощна, поэтому она поймала немало заряженных частиц, делающих радиацию близ этой планеты колоссальной. Зонд подвергнется радиационному воздействию в 6000 сильнее, чем на поверхности Земли. Радиационная опасность там так убийственна, что на поверхности юпитерианского спутника Ио (внутри магнитосферы планеты) незащищённый космонавт получил бы смертельную дозу радиации всего за 3 часа 20 минут. Электроника космического аппарата должна выдержать такие колоссальные нагрузки, не выйдя из строя, что будет очень и очень непросто. Основные приборы "Юноны" защищены титановой бронёй до сантиметра толщиной. Это позволяет надеяться, что её высокочувствительные системы не выйдут из строя до того, как снабдят нас ценной информацией. Продержаться им надо не так долго: миссия закончится уже к началу 2018 года.