Хожение за тремя океанами

13 апреля 2023 года в космос должна отправиться европейская межпланетная станция JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer). Она полетит к галилеевым спутникам Юпитера, искать на них океаны. 

В начале 2023 года число известных спутников Юпитера выросло до 92. Однако наибольший интерес у ученых по-прежнему вызывают Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, открытые еще в начале XVII века Галилео Галилеем. Они несколько веков оставались для астрономов яркими точками во власти короля планет, но когда до них добрались первые межпланетные аппараты, перед учеными открылись целые миры — фонтаны расплавленной серы на Ио, ледяная кора Европы, усеянные трещинами и кратерами Ганимед и Каллисто.

То, что под поверхностями Европы, Ганимеда и Каллисто могут скрываться океаны соленой воды, ученые заподозрили пару десятилетий назад, в ходе изучения данных наблюдений зондов «Вояджер» и станции «Галилео», — это объяснило бы их наблюдаемые свойства. А в качестве объяснения, почему эти океаны не замерзают, предположили, что спутники разогреваются за счет преобразования энергии деформации их недр под влиянием приливных сил со стороны Юпитера. На Ио, вулканическую активность которой также списывают на приливное воздействие Юпитера, тоже может быть подповерхностный океан, однако если он там есть, то состоит из раскаленной лавы.

Интересны океаны в системе Юпитера и астробиологам. Ученым известны земные экосистемы, возникающие у гидротермальных источников («черных курильщиков») на дне океанов — оазисы жизни, до которых не добирается солнечный свет. Есть даже теория, что жизнь на Земле зародилась в подобных условиях. Кроме того, считается, что массивные луны земного типа у планет-гигантов в других звездных системах могут быть потенциально обитаемыми — ровно по той же причине, что и в случае с галилеевыми спутниками, из-за приливного нагрева их недр. 

Однако несмотря на то, что за спутниками Юпитера уже долгое время наблюдают с Земли и околоземной орбиты, а также при помощи межпланетных аппаратов, вопросов о их характеристиках, строении и эволюции у ученых по-прежнему больше, чем ответов.

Ганимед

Основная цель JUICE — Ганимед, самый крупный и массивный спутник планеты в Солнечной системе. Он больше Меркурия, Плутона и Луны (и в два с лишним раза массивнее последней). 

Ганимед уникален также тем, что это единственный изо всех спутников планет, который генерирует собственное магнитное поле (в дополнение к индуцированному полю, возникшему под влиянием Юпитера). На нем замечали полярные сияния, а заряженные частицы активно бомбардируют лед в районе полярных шапок, делая его структуру аморфной. Если учесть, что Ганимед из-за своей массивности является полностью дифференцированным телом (разделенным на слои), то его магнитное поле может создаваться аналогично земному — из-за движения жидкого проводящего материала в металлическом ядре.

Первые намеки на то, что на Ганимеде есть океан, планетологи обнаружили еще в 2000 году. По их мнению, наблюдаемую конфигурацию магнитного поля спутника можно объяснить, если принять, что под 150-километровой корой изо льда и силикатных пород находится резервуар с соленой водой — причем толщиной до ста километров. Не исключено, впрочем, что этот океан может быть многослойным, и слои воды и льда на глубине чередуются. Позже гипотеза об океане внутри получила косвенное подтверждение данными «Хаббла». Позже тот же самый орбитальный телескоп обнаружил водяной пар в атмосфере Ганимеда, однако его источник связали уже не со океаном под поверхностью спутника, а со льдом на ней.

Если также вспомнить, что Ганимед мог пережить столкновение с другим крупным телом, и был тектонически активен, то спутник оказывается крайне интересной целью для изучения. 

JUICE поначалу будет наблюдать за Ганимедом с пролетных траекторий, а затем выйдет на его орбиту. Станция будет: 

• изучать структуру магнитного поля Ганимеда,  
• наблюдать, как взаимодействуют заряженные частицы с его поверхностью и магнитосферой Юпитера, 
• следить за полярными сияниями на спутнике, 
• измерять плотность и химический состав атмосферы и ионосферы Ганимеда, 
• картографировать поверхность Ганимеда с учетом химического состава и свойств его поверхности, 
• описывать подповерхностные слои и внутреннюю структуру спутника, в том числе и гипотетического океана на глубине.

Европа и Каллисто

Европа и Каллисто —  дополнительные цели JUICE, их аппарат будет изучать во время близких пролетов. Каллисто — второй по размерам спутник Юпитера и третий среди всех спутников планет Солнечной системы. Поначалу ее считали скучным месивом из камня и льда, однако затем, в ходе анализа данных с космической станции «Галилео», ученые заподозрили, что и она может скрывать под своей поверхностью соленый океан —  на глубине 250 километров или еще глубже. У нее также есть очень тонкая экзосфера из углекислого газа и кислорода.

Что касается Европы, то это, наряду со спутником Сатурна Энцеладом, самый медийный кандидат на владение подповерхностным океаном, он успел даже попасть в научную фантастику. На его существование первоначально намекали данные «Вояджеров» и «Галилео», а в 2016 году «Хаббл» заметил нечто, похожее на водяные гейзеры, бьющие из-под ледяной коры спутника. Причем их существование затем подтвердилось архивными данными.

На сегодня океан стокилометровой глубины, который может скрываться под корой Европы, считается потенциально пригодным для жизни.

За время близких пролетов с Каллисто и Европой JUICE:

• изучит химический состав их поверхностей, 
• оценит толщину их коры, 
• определит параметры океанов,
• опишет внутреннюю структуру спутников,
• изучит их взаимодействие с магнитосферой Юпитера. 

При наблюдениях за Европой особое внимание будет уделяться поиску органических соединений, важных для зарождения жизни.

Ожидается, что JUICE также проведет удаленные наблюдения за самим Юпитером, Ио и более мелкими спутниками Юпитера, а также пылевыми кольцами гиганта.

Собираемся в полет

Первоначально JUICE назывался «Jupiter Ganymede Orbiter» и должен был лететь к Ганимеду и Каллисто в рамках международного проекта «Europa Jupiter System Mission», в котором, помимо самой Европы, хотели принять участие США, Япония и Россия. Но договориться партнеры не смогли, и в 2012 году Европейское космическое агентство объявило, что снарядит к спутникам самостоятельную миссию в рамках программы Cosmic Vision, а межпланетная станция получила новое имя.

Исследовательский арсенал JUICE состоит из десяти научных приборов: оптической камеры, спектрометра видимого/инфракрасного диапазона, ультрафиолетового спектрометра, инструмента для наблюдений в субмиллиметровом диапазоне волн, датчика радиационной обстановки, магнитометра, лазерного альтиметра, подповерхностного радара, прибора для регистрации плазменных и радиоволн, датчика заряженных частиц, и двух инструментов для измерения гравитационного поля спутников и изучения их внутренней структуры. Девять приборов созданы Европейским космическим агентством, а ультрафиолетовый спектрограф был разработан NASA. Электроэнергией станцию обеспечат две раскладные крестообразные солнечные батареи общей площадью 85 квадратных метров.

По плану, после того, как ракета-носитель Ariane 5 взлетит с космодрома Куру и выведет JUICE в космос, станция за шесть с лишним лет совершит пять гравитационных маневров и выйдет на окончательную траекторию полета к Юпитеру. Три маневра будут проведены у Земли, один у Венеры и один — у Луны. К Юпитеру JUICE доберется в июле 2031 года и еще три года будет по очереди сближаться со своими целями. В программе — 21 близкий пролет мимо Каллисто, два мимо Европы и 12 мимо Ганимеда. Затем, в декабре 2034 года станция выйдет на орбиту вокруг последнего и останется здесь до сентября 2035 года. После этого ее должны свести с орбиты и разбить о поверхность спутника.

Любопытно, что станцию не стали стерилизовать в соответствии с правилами планетарной защиты, так как в настоящее время нет доказательств того, что подповерхностный океан Ганимеда, могущий быть потенциально обитаемым, имеет контакт с его поверхностью. Если JUICE опровергнет эту идею, то Европейское космическое агентство пересмотрит план завершения работы станции.