A Jupiter körüli intenzív sugárzás formálta a Juno küldetés minden szempontját, különösen a Juno pályáját. Az adatok azt mutatják, hogy van egy rés a Jupitárt körülvevő sugárzó övek és a Jupiter felhő teteje között. Juno-nak „be kell tűznie a tűt”, és át kell haladnia ezen a résen, hogy minimalizálja sugárzásnak való kitettségét és teljesítse tudományos céljait. A Juno küldetés bonyolultságát növeli az a tény, hogy az űrhajó tervezése, a tudományos célok és az orbitális követelmények mind meghatározták egymást.
Nem tudtam, milyen kérdéssel kezdem ezt az interjút: Hogyan alakították a Jupiter körüli körülmények, nevezetesen a szélsőséges sugárzás, a Juno pályáját? Vagy hogyan alakította a Juno tudományos célkitűzéseit a pályája, amely ahhoz szükséges, hogy Juno túlélje a Jupiter extrém sugárzását? Vagy végül: hogyan alakították a tudományos célok Juno pályáját?
Scott Bolton, a NASA fő nyomozója a Juno Jupiter-misszióhoz. Kép jóváírása: NASA
Mint láthatja, a Juno küldetése kissé gordiai csomónak tűnik. Biztos vagyok abban, hogy mindhárom kérdést többször fel kellett tenni és meg kellett válaszolni, a válaszok pedig a többi kérdést formálva. A csomó kibontásának elősegítése érdekében Scott Boltonnal, a NASA Juno-misszió fő nyomozójával beszéltem. Mint a teljes Juno küldetésért felelős személy, Scott teljes mértékben megérti Juno tudományos céljait, Juno terveit és a Juno körüli pályáját, amelyet Jupiter körül vezet.
PÉLDÁUL: Szia Scott. Köszönöm, hogy időt fordítottál velem beszélni. A Jupiter sugárzása nagy veszély, mellyel Junonak szembe kell néznie, és a Juno titán-boltozatát úgy tervezték, hogy megvédje a Juno elektronikáját. A Juno pályáját azonban részben a Jupiter körüli sugárzás alakítja. Hogyan alakította a Jupiter körüli sugárzás a Juno pályáját?
"... tudtuk, hogy a Jupiter körüli régió valóban rossz, veszélyes és kemény a sugárzással ..."
SB: Nos, ez korlátozta választásainkat, mondjuk. A Juno pályáját úgy választották ki, hogy kombinálják a tudományos mérések lehetőségeit, amelyek végrehajtásához egyfajta geometria vagy az űrhajó elhelyezkedésének szüksége volt, és az a tény, hogy el kellett kerülnünk a lehető legveszélyesebb régiót, alapvetően a Naprendszer. Ez megkövetelte, hogy nagyon közel álljunk a Jupiterhez és poláris irányban. Megyünk át a Jupiter oszlopain. Tudtuk, hogy a Jupiter körüli régió valóban rossz, veszélyes és kemény a sugárzással, de űrhajóval soha nem mentünk oda. Tehát nem vagyunk egészen biztosak benne, milyen durva ez, vagy pontosan milyen alakú. Van néhány ötletünk.
De a Földdel való analógiák és a modellezés révén képesek voltunk kitalálni a kívánt tudományos célok megvalósításának módját, és továbbra is távol maradunk a legrosszabb régiókból. Juno belép a pólusok fölé, és nagyon közel Jupiterhez merül, úgy gondoljuk, hogy a sugárzó övek és a Jupiter légköre között helyezkedik el.
A Földön egy apró ablak van a saját sugárzó öveink között - amelyek közel sem olyan veszélyesek, mint a Jupiteré, de hasonló formájúak - és a Föld légköre között. Van egy rés ott, és bizonyítékunk van arra, hogy Jupiternél is van rés, és mi befűzzük azt a tűt.
PÉLDÁUL: Honnan származtak bizonyítékok erre a résre, kivéve a Föld Van Allen öveit? Volt valamelyik NASA obszervatóriumában olyan megfigyelés, amely kimutatta, hogy hasonló rés van a Jupiter körül?
SB: Olyan rádióteleszkópokat használtunk, mint a VLS (Very Large Array) és más rádióteleszkópokat a világ minden tájáról, amelyek képesek a Jupiterre nézni, és bizonyos frekvenciákon látják a szinkrotron sugárzást. A szinkrotron sugárzás nagyon nagy energiájú elektronok, amelyek a fénysebesség mellett mozognak, és rádiókibocsátást bocsátanak ki. Relativista fizikán alapuló nagyon specifikus geometriában adják ki. Láthatjuk, és ez valamit mond a sugárzás alakjáról és a nagy energiájú elektronok populációjának eloszlásáról. Ezt használják a modellekben, és tudjuk jelezni, hogy legyen egy kis rés, részben azért, mert amikor megnézzük azt a sugárzást, úgy néz ki, hogy visszaszorul, mivel nagyon közel áll a Jupiterhez. De korlátozott felbontással rendelkezünk, így bár jelek vannak arra, hogy a Jupiter és a sugárzó övek között hézag van, nincs pozitív bizonyíték.
PÉLDÁUL: Tehát maga Juno lesz a pozitív bizonyítéka annak, hogy van különbség a Jupiter és a sugárzó övei között?
SB: Igen. És akkor van még egy mérésünk, amely segít megérteni ezt. A Galileo űrhajó, amely a 90-es évek közepén körözött Jupiterrel, egy szondát tartalmazott, amely a Jupiter légkörébe ment, hogy megtudja, miből készül. Ez a szonda néhány nagyon nyers műszerrel végzett méréseket, szinte a Geiger-számlálókhoz hasonlóan, és ezekből a mérésekből származó adatok a sugárzás csúcsát, majd a Jupiterhez közeli rést mutattak. Ez tehát további bizonyítékokat adott nekünk arra, hogy hiány van. Noha nagyon korlátozott adatkészlet, összhangban van a rádióteleszkópok modelleivel.
PÉLDÁUL: Bizonyos tudományos célokat kellett volna szem előtt tartania a Juno küldetés során, tehát hogyan alakította a Jupiter sugárzási öveinek és az azok elkerüléséhez szükséges pályának a megértése a Juno küldetés tudományos céljait? Vajon kényszerített valamilyen célt egyáltalán elhagyni?
"Valójában alapvetően a tudományos célok vezettek a pályára."
SB: Nem, egyáltalán nem. Valójában a tudományos célok vezettek alapvetően a pályára. Ez vezetett bennünket arra, hogy igazán közel akarjunk kerülni. A kérdés az volt, hogy milyen közel tudjuk elérni, hogy biztonságos legyen, és hányszor tudjuk keringni? Tehát azt mondanám, hogy amit a sugárzás okoz, az az, hogy az nem annyira megváltoztatta a pályánkat, hogy korlátozta a keringő pályák számát. Tehát korlátozott életidejük volt, és a korlátozott élettartam miatt olyan pályára mentünk, amely lehetővé tette a bolygó lehető leggyorsabb térképét. Nagyon közel akarunk repülni, sok különböző hosszúságon, egyenletes távolságban.
A tudományos célok és a sugárzási övek korlátozásai azt mondták nekünk, hogy Juno csak ilyen sokáig fog tartani, tehát korlátozott idő alatt el kell készítenie a térképet. Tehát van egy kis kompromisszum. Talán volt mód arra, hogy hosszabb ideig megvédjék Juno-t több titánnal, nagyobb árnyékolással, hogy egy kicsit tovább tartsanak, de a végén annyira rosszul lesz, hogy nem vagyok biztos benne, hogy jobban megvédjük-e, hogy tovább tartson.
"Ha elegendő üzemanyagot tudtam volna tenni a fedélzetre, meg tudtam volna változtatni a pályát a misszió közepén ..."
PÉLDÁUL: Szerintem csökkenő hozam?
SB: Jobb. Tehát a műszaki korlátozások és a rakéta elindításának gyakorlati lehetőségei valójában azok, amelyek korlátoztak bennünket. Ha elegendő üzemanyagot tudtam volna tenni a fedélzetre, megváltoztathattam volna a pályát a misszió közepén, hogy hosszabb ideig tarthassunk. Ehhez azonban óriási mennyiségű üzemanyagot igényelne. Mi történik, amikor közel állsz a Jupiterhez, az nem tökéletesen szimmetrikus, tehát megváltoztatja Juno pályájának alakját.
PÉLDÁUL: Tehát akkor kellene javítania, hogy fenntartsa a pályát?
SB: Igen, de nem tudjuk. Nincs elég üzemanyagunk ahhoz, hogy valami ilyesmit megcsináljunk, így élnünk kell azzal, amit a Jupiter tesz a pályára. Tehát elkezdi forgatni a pályát, és minden alkalommal, amikor a Jupiterhez érkezünk, egy kicsit tovább elfordul. Ezt tudományosan egy kicsit használjuk, de a valóság az, hogy csak valamihez kell élnünk. A küldetés első felében, ha az üzemmódok helyesek, nem kell a legnagyobb sugárzási mennyiséggel foglalkoznunk, de a küldetés második felében egyre rosszabb lesz. Nem tudjuk elkerülni a sugárzó öveket annyira, mint amennyit eleinte tudtunk. Alapvetően ez korlátozza a Juno küldetés élettartamát.
PÉLDÁUL: Tehát a Jupiter folyamatosan befolyásolja a Juno pályáját, és korlátozott képessége van arra, hogy ezzel foglalkozzon?
SB: Így van. Ennek oka az, hogy a Jupiter nem tökéletes gömb.
PÉLDÁUL: És az egyik cél a Jupiter gravitációjának feltérképezése?
SB: Igen, hogy kiderítsék, milyen pontosan tökéletlen egy gömb [nevetés], és aztán tanulmányozzam arról, hogy milyen a belső szerkezete, és hogyan alakult ki.
PÉLDÁUL: Ez időszerűnek tűnik, hogy megkérdezzük, milyen alakú Juno pályája? Milyen közel lesz a Jupiterhez, és milyen messzire jut el pályája alatt?
„… A külső holdok közelében vagyunk, Callisto közelében vagyunk.”
SB: Ez egy ellipszis, mint a legtöbb keringő pálya, és legközelebbi megközelítési pontja körülbelül 5000 km (3100 mérföld) körül van a felhő teteje felett, és ezt úgy hívják, hogy perijove. A másik oldalon a külső holdok közelében vagyunk, Callisto közelében.
PÉLDÁUL: Akkor elég messze van.
SB: Igen, nagyon távol van. Körülbelül 14 napig tart Juno, amíg kitér egy pályára. És akkor a másik tájolás közvetlenül a pólusok felett van. Az északi és a déli pólusok felett. De nem azonnal lépünk ebbe a pályára. Először ki kell lőnünk rakétáinkat, és egy sokkal nagyobb pályára kerülünk, amelynek körülbelül 53 napja körül megy körül, és a Jupitártól való távolság messze van még ennél is messzebb. Az első néhány hónap folyamán elegendő üzemanyag van ahhoz, hogy módosítsuk a pályát, hogy megkapjuk azt, amit végül szeretnénk, és ehhez néhány hónap telik.
PÉLDÁUL:Tehát a Juno is napenergiával működik, kivéve az üzemanyagot, hogy megváltoztassa pályáját. A napnak szabadnak kell lennie, tehát erre pótlólagosan hozzájárulhatott a pályájának megtervezéséhez?
"… Általában elkerüljük az árnyékokat vagy a Jupiter általi okkultációkat."
SB: Igen, ez egy további kényszer abban az értelemben, hogy el akarom kerülni a Jupiter árnyékába kerülést. Azt akarom, hogy a napelemek mindig látják a napot. Rövid időn belül menhetünk anélkül, de általában elkerüljük az árnyékokat vagy a Jupiter általi esetleges akadályokat.
PÉLDÁUL: Ez az egyik oka annak, hogy a pálya elvisz téged olyan messze Jupitertől? Hogy ne kerüljön a Jupiter árnyékába?
SB: Ja, ez igaz. Bár elkerülheti azt még akkor is, ha olyan közel voltál, ha oldalra keringtek. Nem kell mennem Jupiter mögött, még akkor is, ha a pályája kicsi volt. De mindezt ki kell számolnia, és meg kell győződnie róla.
PÉLDÁUL: Valamennyi Juno hangszer aktív lesz-e az egész pályáján? Vagy az egyes pályák bizonyos szenzorokhoz és műszerekhez vannak rendelve?
SB: Általában az összes eszköz aktív. De van olyan pályáink, amelyek bizonyos dolgokra összpontosítanak a mutató követelmények alapján. Például a gravitációs mérés. Amikor meg akarjuk mérni a gravitációs mezőt, ellenőriznünk kell, hogy az antenna a lehető legnagyobb mértékben a Föld felé mutat-e. Így mérjük meg a gravitációs mezőt, ha megnézzük a jelet, amelyet Juno visszajuttat a Földre, és megmérjük a rádiójel Doppler-eltolódását, és ez megmondja, hogy a gravitációs mező hogyan tolta és húzta a Juno-t.
Ha nem mérjük a gravitációs mezőt, akkor vannak más műszereink is, amelyek jobban szeretnék, ha közvetlenül a Jupiterre mutatnának. Még mindig el tudják venni az adatokat, míg mérjük a gravitációs mezőt, de jobb, ha közvetlenül a Jupiterre mutatnak. Elviselhetjük ezt, mivel a napelemek továbbra is a nap felé mutatnak, és továbbra is kapcsolatban maradhatunk az űrhajóval, csak nem tudjuk megszerezni a teljes gravitációs mező mérését.
"... a küldetés végén a napelemek várhatóan nem teljesítik olyan jól, mint az elején."
Tehát van néhány pálya, amely erre a geometriara szól. Természetesen, amikor elkötelezettek vagyunk erre, régen akkor is kikapcsolhatjuk a gravitációs rendszert, ha nem használtuk volna. De azt hiszem, hogy becsléseink szerint most elegendő erőnk van ahhoz, hogy ezeket mindkettőt egyszerre tudjuk tartani. Függetlenül attól, hogy megtesszük-e vagy sem, nincs rá szükség, de a küldetés végén nem várható, hogy a napelemek teljesítsenek olyan jól, mint az elején.
PÉLDÁUL: A sugárzás miatt? Ugyanezen okból, hogy az elektronika érzékeny, a napelemek idővel lebomlanak?
SB: Úgy van. Tehát megvédjük őket, de nem tudjuk, mennyire jól működnek. Nem szerepel a tervünkben, de befogadhatjuk azt azzal a gondolattal, hogy a küldetés végén, ha nincs elég erőnk mindent végrehajtani, elindíthatunk néhány olyan készüléket, amelyeknek van elvégezte a tudomány nagy részét, amit mi akartunk. Valahogy felválthatjuk, mely készülékek vannak bekapcsolva, melyek nincsenek.
PÉLDÁUL: Szóval ez bizonyos rugalmasságot biztosít a küldetés számára, ha a sugárzás súlyosabb, mint ahogy a modellezés javasolja? Van némi rugalmassága annak, hogy a vége felé prioritássá tegye?
SB: Így van. Jelenleg modelljeink azt sugallják, hogy nem kell ezt megtennünk, de szükség esetén megfordíthatjuk a tárcsát.
PÉLDÁUL: Kíváncsi vagyok a részletes modellezésről, amelyet a Jupiter sugárzásának és a Juno küldetésének végeztél, és megnézem a NASA webhelyein és más forrásokban elérhető információkat. Javasolt, hogy a Juno összes hangszere nem várhatóan túlélni a 33 pályát, igaz? Van-e valamilyen legjobb esetben a hangszer túlélése? Olvastam, hogy a JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) és talán a Junocam csak a 8. pályára tarthat, míg a Mikrohullámú Sugármérő csak a 11. pályára maradhat. Vajon ez a legjobb eset? Vagy inkább annak a közúti modellnek a közepén, amelyet követsz azoknak a pályaszámoknak?
SB: Reméljük, hogy ez a legrosszabb eset. Úgy tervezték, hogy ezt túlélje 2-es tényezővel a sugárzás során. Valószínűleg egy kicsit nagyobb, mint a két tényező. Tehát képeseknek kell lenniük arra, hogy ezt probléma nélkül meg tudják csinálni. Meglepetés lenne, ha nem tartanának ilyen sokáig. Arra számítunk, hogy valószínűleg a misszió végére kerülnek. De nem számítok erre, és nem is követelom. Az a tény, hogy ezeknek a műszereknek egy része nem rendelkezik elektronikájával a <titán> boltozatban.
PÉLDÁUL: Ennek oka az, hogy nem igénylik mind a 33 pályát, hogy teljesítsék küldetésüket? Az instrumentumokat rangsorolják-e a titán-boltozat belsejében annak alapján, hogy hány pályára kerülnek a küldetésük végrehajtásához?
"A boltozatban az összes elektronika meglehetősen meleg hely lehet, és néhány hangszer kissé jobban teljesít, ha hideg van."
SB: Úgy van. Szóval így tettük ezt a választást. Nyilvánvalóan szükségük volt bizonyos védelemre a Jupiter sugárzása ellen, tehát kevés doboz van körülöttük, de nem olyan, mint az óriás boltozat. Vannak más okok is, amelyek miatt nincsenek a boltozatban. Van néhány előnye a költöztetésnek. A boltozatban az összes elektronika meglehetősen meleg hely lehet, és néhány műszer kissé jobban működik, ha hideg van. Tehát vannak különböző szakmák, amelyek folytatódtak. De jól jellemezte azt abban az értelemben, hogy a tudományos célok teljesítéséhez nem kell, hogy teljesítsük az egész küldetést. De azt várom, hogy vannak előnyök, ha hosszabb ideig tartanak, tehát abban reménykedünk, amikor megterveztük őket, hogy hosszabb ideig tartanak.
PÉLDÁUL: Scott, mi a hivatalos címed a NASA-nál?
SB: Hivatalosan fő nyomozónak hívják. Tehát én vagyok a Juno küldetés vezető nyomozó. Ez egy hivatalos cím, ami csak valamit jelent a NASA emberei számára.
PÉLDÁUL: Szóval már a Juno kezdete óta részt vesz a misszió tervezésében?
SB: Ó igen. Valahogy létrehoztam az egész dolgot, vagy az egész folyamatot. A felelős Junoért az, amit a vezető nyomozó jelent az átlagember számára. Bármiért és mindenért, ami a Juno-val társul, én vagyok a felelős annak sikeréért. Legyen szó akár a tervezésről, a mérnöki tudományról, a tudományról, hogy időben elkészítse, túl sok pénzt költ, az ütemtervre, és minden másra. Egy másik módszer ezt mondani: ha valami rosszul fordul elő, én vagyok az, akit hibáztatnak.
PÉLDÁUL: Nos, azt hiszem, hogy sok mindent rendbe fog tenni [nevetés]. Tehát, mint én, nagyon türelmetlenül kell számolnod Juno Jupiterbe érkezését. Mi a legérdekesebb és legizgalmasabb Juno küldetése, ha egy dolgot kellett választania? Biztos vagyok benne, hogy szinte lehetetlen válaszolni. És mi lehet meglepetés? Ha megvizsgáljuk a New Horizon Plutóba érkezését és az ott talált meglepő dolgokat, vagy a Cassini jéggeizerjeit, mindig úgy tűnik, hogy egy meglepetés vár ránk. Szerinted mi a legizgalmasabb Juno-nál, vagy mit gondol, mi lehet meglepő eredmény?
"... Juno izgalmas része az, hogy valahova megyünk, ahova senki sem ment."
SB: Nos, a meglepetés meghatározása alapján nem tudom kitalálni. Ezen dolgok egyikét sem lehetett volna előre látni, ezért voltak meglepetések. De tudod, Juno izgalmas része az, hogy valahova megyünk, ahol még soha senki nem ment. Olyan méréseket fogunk végezni, amelyeket még soha nem végeztünk. Van olyan műszereink, amelyeket egyszerűen még soha nem hoztunk létre, nem is beszélve arról, hogy bevonjuk őket ebbe az egyedi orbitális geometriába, ahol speciális méréseket végezhetünk. Tehát azt gondolom, hogy az a várakozás, ha valami vadonatúj tanulni fogunk, ami meglepni fog minket, az izgalmas.
Valójában mit fogunk megtanulni, ami megváltoztatja elképzeléseinket arról, hogy hol jöttünk, és hogyan kerültünk ide? Milyen a Jupiter? Olyan sok rejtvény van róla, és annyira fontos. Még ma is azok a dolgok, amelyeket megtanultak a saját naprendszerünkről, és azok a dolgok, amelyeket megtanultunk a többi naprendszerről, amikor el tudtunk kezdeni látni az exopolygót, csak még fontosabbá tették a Jupitert számunkra. Valóban tartja a kulcsot, és azt hiszem, az izgalmas rész az, hogy végre kinyitjuk az egyik ajtót e titkok felé. Segítünk abban, hogy a jövőbeli missziók útján még többet megtudjunk.
A másik dolog, ami izgalmasnak számít, annak ellenére, hogy én vagyok az úgynevezett fő nyomozó, és ha megkérdezi a NASA-t, hogy ez mit jelent, és azt mondják, hogy én vagyok azért felelős mindenért, az igazság az, hogy nem egy ember. Hatalmas csapat hozta létre ezt. Ez segített megtervezni, megteremtette a megvalósítás módját, megértette a korlátokat, megértette, hogy működhet, az új technológiákat kitalálta, amelyekre szükségünk volt annak megvalósításához, és alapvetően rendelkezett a létrehozáshoz szükséges elképzeléssel, és rendelkezik a képesség arra, hogy megvalósítsuk, és ezt a jövőképet valósághűvé tegyük. Nagyon izgatott vagyok, hogy része vagyok ennek az embereknek a csapatához, akik ezt megvalósítják, és hogy ez a csapat valójában csak a társadalom és az emberiség része, amely mindent megpróbál kitalálni. Ilyen dolgok például az, hogy mi illeszkedünk a természethez és hogyan működik az univerzum. Általában izgatott vagyok, hogy valami részese lehetek, amely ilyesmire próbálkozik.
PÉLDÁUL: Fantasztikus, és teljesen egyetértek a szavakkal, és azt hiszem, izgalmas mind én, mind a Space Magazine olvasói számára. Ez egy hatalmas küldetés, és alig várhatjuk, hogy megkapjuk az eredményeket. És néhány képet. Nagyon izgalmas.
SB: Nekem is. [nevetés]
PÉLDÁUL: Köszönöm, hogy időt fordított, hogy ma velem beszéljen, Scott. Remélhetőleg újra beszélhetünk. Tudom, hogy az emberek nagyon érdeklődnek a Juno küldetés iránt.
SB: Szívesen. Szép napot.
