Мисията JUICE на Европейската космическа агенция има за цел да надникне под повърхностите на луните на Юпитер, за да определи дали нещо може да живее във водите отдолу.
Дълбоко под соления океан морското дъно е напукано. Горещите газове от слоевете отдолу бълбукат във водата, поддържайки колонии от микробен живот, които започват да съществуват далеч от потъналата в слънце повърхност.
Това може да звучи като сцена от дъното на огромните океани на Земята, но всъщност е възможно описание на Европа – една от ледените луни, обикалящи около Юпитер. И благодарение на предстоящата мисия Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE), най-накрая може да имаме възможност да разберем колко точно е това описание.
Астробиолозите – учени, които търсят признаци на живот извън пределите на нашата планета – отдавна се придържат към една проста мантра: следвайте водата. Това е така, защото всяко живо същество на Земята, от най-малката бактерия до могъщия син кит, се нуждае от течна вода, за да оцелее. Докато извънземен живот без вода може да е възможен, търсенето на този молекулен брак между водород и кислород е отлично място за начало.
В търсенето на H₂O много се направи за обитаемата зона – тесният пръстен около звезда, където температурата е точно подходяща за течна вода. Земята се намира в този регион, така че по-голямата част от нашата вода нито замръзва, нито кипи. Но обитаемата зона е несъвършена концепция.
„Поне пет обекта във външната част на Слънчевата система имат океани под повърхността“, казва д-р Марк Фокс-Пауъл, астробиолог от Отворения университет. Всички са далеч отвъд външните граници на традиционната обитаема зона. Три от тези океани могат да бъдат намерени под повърхностите на трио от луните на Юпитер: Европа, Ганимед и Калисто. Юпитер има своя собствена обитаема зона. Необходимата топлина не идва от Слънцето, а от гравитацията на Юпитер. Той разширява и свива луните, затопляйки ги като топки за скуош.
Въпреки че сме били в системата на Йовиан много пъти, тези луни рядко са били основната атракция. „Последният път, когато бяхме там и ги изучавахме директно, беше с космическия кораб „Галилео“ през 90-те години на миналия век“, казва Фокс-Пауъл. Вместо това фокусът пада върху самата гигантска планета. Но сега има JUICE, специална мисия, която се насочва към неговите ледени спътници.
Космическият кораб:
В основата на мисията JUICE е космически кораб, който е построен от Европейската космическа агенция (ESA). Той има малка прилика с гигантска птица, със слънчеви панелни крила, простиращи се от двете страни на основното тяло на космическия кораб. Слънчевата светлина на Юпитер е 30 пъти по-слаба от светлината, която достига Земята, така че панелите трябва да са големи. Те покриват площ, равна на 85 m², или около половината от размера на волейболно игрище.
Неговата антена с диаметър три метра ще изпраща данните, които JUICE събира обратно към контрола на мисията, въпреки че ще отнеме почти два часа, за да измине повече от половин милиард километра до Земята.
ESA работи за пускането на JUICE през 2022 г., докато не удари пандемията от коронавирус. Вместо планираното излитане, през следващата година сега ще станем свидетели на неистова активност, тъй като ESA се бори да върне времето, изгубено по време на блокирането, и да направи последните приготовления, необходими за подготовка на забележителната мисия за нейното пренасрочено изстрелване през 2023 г.
Първоначалният план беше JUICE да поеме по сложен маршрут, включващ пет прелитания на Земята, Венера и Марс, за да се използва гравитационната мощ на планетите, за да се насочи космическият кораб към Юпитер, пътуване, което трябваше да отнеме 7,5 години. ESA все още не е разкрила точните подробности за новата времева линия, но JUICE трябва да пристигне на Юпитер в началото на 2030-те години. Веднъж там, ще прекара поне три години в изследване на Европа, Ганимед и Калисто. Към него ще се присъедини мисията Europa Clipper на НАСА, която в момента е планирана за изстрелване през 2024 г. и пристигане през април 2030 г.
Луните на Юпитер:
Ние знаем за тези луни от дълго време. Заедно с Йо – най-вулканично активното място в Слънчевата система – Европа, Ганимед и Калисто съставляват така наречените „Галилееви луни“, видени за първи път от италианския астроном Галилео в началото на 17-ти век.
От триото, върху което JUICE ще се фокусира, Европа има тенденция да открадне светлината на прожекторите. „Това определено е образецът на галилейските луни“, казва Фокс-Пауъл. Това е така, защото под ледената му кора се намира океан, който съдържа повече вода в течно състояние, отколкото всички морета, езера и реки на Земята взети заедно. Ако в нашите океани плува живот, може ли същото да е вярно и за Европа?
Част от проблема е, че океанът се крие под дебела, ледена повърхност. „Нямаме директен достъп до него“, казва Фокс-Пауъл. За щастие учените смятат, че ледената кора и водата си взаимодействат, малко като разтопената скала под повърхността на Земята, която се пробива по време на вулканична дейност. „Това означава, че можем да използваме материал на повърхността, за да изучаваме косвено океаните“, казва Фокс-Пауъл.
Може дори да успеем да съберем проба от този материал, въпреки че JUICE не може да кацне на Европа. Космическият кораб носи 10 високоточни инструмента към Юпитер, включително пакета за среда на частици (PEP). „Той е проектиран да изучава прах и други молекули, които са били издигнати от повърхността“, казва Фокс-Пауъл. „Не е невъзможно, ако този материал идва от океаните, да съдържа молекули, които са показателни за живот.“
Ако в океаните на Европа има организми, те ще се нуждаят от източник на енергия. Скрити под ледената кора, те не могат да получат тази енергия от Слънцето. Fox-Powell вижда две потенциални опции. Системата на Йовиан е среда, наводнена с интензивни нива на радиация, тъй като магнитното поле на Юпитер хвърля и насочва високоенергийни частици наоколо.
„Всеки океански материал, който се окаже на повърхността, ще бъде облъчен“, казва Фокс-Пауъл. Това променя химията на леда. Един вероятен сценарий е, че радиацията разгражда водата на водород и кислород, като този кислород потенциално се просмуква обратно в океана отдолу. Други потенциални странични продукти включват съединения, съдържащи елемента сяра. „На Земята е известно, че поддържат живота на микробите“, казва Фокс-Пауъл. JUICE ще ни помогне да научим повече за тази граница океан-повърхност и до каква степен условията са подходящи за биология.
Като алтернатива животът може да е колонизирал океанското дъно. На Земята има цели общности от организми, които виреят на морското дъно без никаква слънчева светлина. Източникът на тяхната енергия са хидротермални отвори – пукнатини на границата между океана и горещата вътрешност на Земята. JUICE може да ни помогне да видим колко геологично активна е вътрешността на Европа.
Възможност да изследвате Калисто
Докато Европа грабва лъвския дял от общественото внимание, тя не е основната цел на JUICE. Мисията ще лети до Европа само два пъти, но ще бръмчи покрай Калисто 12 пъти. Калисто е най-външната от четирите галилееви луни, така че е най-малко засегната от гравитацията и радиацията на Юпитер. За разлика от Европа, чиято повърхност непрекъснато се променя от материал, извиращ изпод леда, Калисто има най-старата повърхност в Слънчевата система. Непроменен от милиарди години, той е изпъстрен с повече ударни кратери от всяко друго тяло, обикалящо около Слънцето.
Астрономите подозират, че под древната повърхност на Калисто се намира океан с дълбочина 200 километра. Това е мястото, където инструментът на JUICE Radar for Icy Moons Exploration (RIME) ще влезе в сила. Той ще предава радиовълни, които могат да проникнат през ледените черупки на галилейските луни до дълбочина от около девет километра. От начина, по който радиовълните се отразяват обратно, трябва да можем да научим повече за вътрешните структури на луните.
Друг подход ще бъде осигурен от инструмента Gravity and Geophysics of Jupiter and Galilean Moons (3GM). Той ще измерва гравитационните полета на Калисто и другите ледени луни, което ще разкрие как различни слоеве материал – включително вода – са подредени вътре в тях.
JUICE също ще използва Callisto за крака. Контролерите на мисията ще използват гравитацията на Луната, за да увеличат наклона на космическия кораб с около 30°, за да могат да видят по-добре полярните региони на Юпитер – източникът на огромното и интензивно магнитно поле на Юпитер.
Търся магнитни полета
Магнетизмът е този, който определи къде JUICE ще прекара по-голямата част от времето си: Ганимед. Заедно с дузина прелитания, космическият кораб също ще отиде в орбита около Ганимед и ще остане там осем месеца. Това ще бъде първият път, когато космически кораб от Земята обикаля около луна, различна от нашата.
„Ганимед е най-вълнуващото тяло в Слънчевата система“, казва проф. Мишел Дохърти от Imperial College London. От една страна, тя е по-голяма от всяка друга луна. Всъщност той е по-голям от планетата джудже Плутон и планетата Меркурий. Подобно на Европа, също се смята, че има подземен океан, който съдържа повече вода, отколкото имаме на Земята.
И все пак магнетизмът на Ганимед е основната атракция. Той е уникален сред луните на Слънчевата система, защото има собствено магнитно поле. Dougherty е главният изследовател на J-MAG – инструмент на JUICE за измерване на магнитни полета. J-MAG е разположен в края на стрела с дължина 10,6 метра, за да го държи далеч от магнитни смущения от главния космически кораб. Неговата чувствителна електроника е заключена в оловен трезор, за да ги предпази от интензивното излъчване на Юпитер.
Доуърти иска да измери магнитното поле на Ганимед в детайли, включително как то взаимодейства със собственото магнитно поле на Юпитер. Астрономи, използващи космическия телескоп Хъбъл, забелязаха аврорална активност на Ганимед. Еквивалентът на северното и южното сияние на Земята, полярните сияния трябва да се люлеят около полюсите на Ганимед поради влиянието на магнетизма на Юпитер.
Това, че не го правят, предполага наличието на подземен океан от солена вода на Ганимед, който провежда електричество и противодейства на магнитната мощ на Юпитер. Изучаването на магнитното поле на Ганимед може да даде допълнителни улики за размера и природата на този океан. На свой ред това може да ни помогне да разберем дали това е място, което може да е дом на извънземен живот.
Разделянето на магнитното поле на Ганимед от това на Юпитер обаче далеч не е лесно, особено като се има предвид колко планетата доминира над заобикалящите я спътници. „Това е като да се опитвате да намерите игли в купа сено“, казва Дохърти, „но те променят размера, формата и цвета си през цялото време.“ Все пак тя е уверена, че екипът може да се справи. Прелитанията ще се използват за тренировки, като наистина важните данни идват, след като JUICE се установи в орбита около Ганимед. „Резултатите ще бъдат впечатляващи“, казва Дъхърти.
Има ли живот другаде в Слънчевата система?
Ако е права, това ще бъде коронното постижение в края на един дълъг и криволичещ път. Дохърти преди това е участвал в друг водещ космически кораб: мисията Касини до Сатурн. Дискусиите за JUICE започнаха сериозно през 2008 г., когато Касини вече беше на Сатурн четири години.
Това беше един от спътниците на Сатурн – Енцелад – който накара хората да седнат и да обърнат внимание. „Моят екип допринесе за откриването, че Енцелад има струи от водна пара“, казва Дохърти. Водата от подповърхностния океан се изхвърля в космоса, което показва, че е възможно да се намери вода извън традиционната обитаема зона.
„Откритията в Енцелад ни показаха, че фокусирането върху луните на външните планети е добро нещо да се направи.“ Скоро беше измислен план за по-близко виждане на ледените луни на Юпитер. Не че всичко е просто плаване. В един момент по време на пандемията, при затворени лаборатории, екипът на Дохърти изграждаше части от J-MAG на своите кухненски маси. „Създаването на инструмент винаги е стресиращо, но пандемията пренесе този стрес на следващото ниво“, казва тя.
Това усилие е още по-забележително, като се има предвид, че екипът в крайна сметка ще унищожи цялата тази упорита работа. Някъде през 2034 г. космическият кораб вероятно ще остане без гориво. Без никакво гориво учените вече няма да могат да го маневрират около системата на Юпитер. Така че екипът ще направи това, което е направено преди с космически кораби като Касини и мисията MESSENGER до Меркурий: умишлено да го разбие.
Удряйки се в повърхността на Ганимед, JUICE ще осигури един последен експеримент, за да види от какво е направена тази огромна луна. Дните на изследване на ледените луни на Юпитер ще свършат, но учените ще продължат да се вглеждат в колекцията от ценни данни на JUICE дълго време след това. „След 20 години нашето разбиране за тези луни ще бъде различно“, казва Фокс-Пауъл. „JUICE ще направи истинска революция.“ Най-накрая може да ни каже дали сме сами в тази обширна и често изненадваща Слънчева система.
