Чем интересны ледяные спутники Юпитера

Этот материал является переводом интервью с научным сотрудником миссии ЕКА JUICE Оливером Витассом, которое было опубликовано в выпуске журнала All About Space №106 от 16 июля 2020 года.

Доктор Оливье Витасс – учёный-планетолог из ЕКА, работающий в Европейском центре космических исследований и технологий (ESTEC) в Нордвейке (Нидерланды). Он является научным сотрудником в проекте создания нового космического аппарата ЕКА под названием Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE), который должен быть запущен в 2022 году с прибытием в систему Юпитера в 2029-м. Витасс работал над множеством космических миссий, включая Mars Express, Venus Express, Cassini-Huygens, ExoMars и Chandrayaan-1. Издание All About Space поинтересовалось у Оливера, чем же так интересны галилеевы спутники.

Каким образом спутникам, которые посетит космический аппарат JUICE – Европе, Ганимеду и Каллисто – удалось сохранить подповерхностные океаны будучи столь удалёнными от Солнца? Почему вода не замёрзла?

Эти спутники называют “ледяными лунами”. Это неспроста: в их составе в значительной мере присутствует водяной лёд. Эти тела имеют механизм, который не позволяет части этого льда замерзать, делая возможным существование жидкой воды. Вопрос состоит в том, чем обусловлен данный механизм.

Есть две возможные причины. Первая заключается в том, что луны Юпитера – тела достаточно крупные. В их ядрах (как и у Земли) могут находиться радиоактивные элементы – и благодаря их распаду может выделяться некоторое количество тепла. Вторая причина состоит в том, что все три спутника достаточно близки к своей планете. Между лунами и Юпитером существует тесное гравитационное взаимодействие. Это воздействие настолько сильно, что способно изменять форму спутников. На самом деле галилеевы луны по форме ближе к мячу для регби, чем к идеальной сфере. Их внутренности постоянно сдавливаются и разжимаются. В ходе этих процессов выделяется тепловая энергия, которой может быть достаточно для того, чтобы поддерживать воду в жидком агрегатном состоянии.

Как учёным удалось обнаружить у них подповерхностные океаны?

Сделанное двадцать лет назад аппаратом NASA Galileo открытие подповерхностных водоёмов у спутников Юпитера было одним из величайших достижений планетологии. Аппарат сделал облёт вокруг Юпитера, и ему нужно было совершить несколько пролётов около ледяных спутников и Ио. Благодаря наличию магнитометра Galileo удалось обнаружить жидкую воду внутри Европы, Ганимеда и, возможно, Каллисто.

Это было великим открытием по той причине, что проведённые измерения не давали нам визуального подтверждения. Мы не можем увидеть эту воду – она под поверхностью спутников. Но мы можем ощутить её присутствие, измеряя параметры магнитного поля. Дело в том, что внутри спутников Юпитера вода содержит примеси: она солёная и может проводить электрический ток. Поэтому вокруг объектов имеются очень слабые переменные магнитные поля, на которые оказывает влияние более сильное магнитное поле Юпитера. Мы можем измерить это влияние с помощью магнитометра.

Данные показали, что под поверхностями Европы и Ганимеда имеется жидкая вода. С Каллисто всё немного сложнее – результаты измерений интерпретировать нелегко.

Тестирование антенны RIME для миссии JUICE. Сигнал, принимаемый антенной во время испытаний, излучался зондом, установленным на квадратной сетке слева. Credit: ESA–M. Cowan

Почему JUICE стала первой крупной миссией ЕКА в рамках программы Cosmic Vision?

Конкурс проходил в 2012 году. Для любого космического агентства, будь то NASA или ЕКА, выбор миссии всегда даётся тяжело. Сначала ЕКА предлагает учёным оформить какую-то идею для новой миссии. Потом идёт этап исследования концепции. Затем ЕКА выбирает некоторые концепции на основе мнения специальных комитетов, которые дают рекомендации и проводят оценку. По этим вопросам ведётся множество дискуссий. Но в ЕКА есть комитет, который, в конечном итоге, утверждает те миссии, которые будут воплощены в жизнь.

В конкурсе 2012 года участвовали три миссии, одной из которых была JUICE. Две другие миссии – это детектор гравитационных волн LISA и рентгеновский телескоп ATHENA.

После долгих обсуждений достоинств каждого из проектов, в ЕКА решили что JUICE – лучший из них. И судя по тому, что происходит сейчас, выбор оказался верным. Миссия LISA сложна с технической точки зрения и требует выведения на орбиту трёх аппаратов. ATHENA сталкивается с множеством проблем. Ни одна из этих инициатив не будет готова к запуску в 2022 году.

Вы принимали участие в работе над многими космическими проектами, в числе которых Cassini-Huygens, Venus Express, Mars Express и другие. Исходя из вашего опыта, можете сказать, насколько уникальна миссия JUICE?

Все космические миссии уникальны и интересны. Каждая из них выбирается на основе тех научных вопросов, которые стоят перед учёными на ранних этапах разработки этих проектов. Все предыдущие миссии, над которыми я работал, довольно занятные и дают много потрясающих результатов.

JUICE – это первая независимая европейская космическая миссия к Юпитеру. Она очень сложная. Миссии к Юпитеру свершаются раз в три десятилетия или около того. По этой причине мы стараемся разработать космический аппарат таким образом, чтобы получить как можно больше ответов на как можно большее количество вопросов. С точки зрения научных результатов эта миссия должна стать очень важной, поскольку изучению подвергнутся различные аспекты системы Юпитера. Мы собираемся больше узнать о строении спутников, их поверхности, атмосфере и связи с родной планетой. Мы изучим и сам Юпитер, а также пыль вокруг него. И конечно же, постараемся внести свой вклад в вопрос обитаемости ледяных лун.

Самый интересный вопрос, на который попытается ответить JUICE заключается в том, каким образом спутникам Юпитера удаётся поддерживать свои подповерхностные океаны в течение длительного периода времени. Мы хотели бы понимать эти механизмы лучше, поскольку это очень важно как с точки зрения планетологии, так и с точки зрения астробиологии.

Я имею в виду, что нам хотелось бы найти пригодные для развития и существования жизни места за пределами Земли. Это большая загадка.

Аппарат JUICE будет нести одиннадцать научных приборов. Можете отметить два или три, от которых вы ожидаете впечатляющих результатов?

Как я уже отмечал, миссии к Юпитеру – события довольно редкие. Поэтому мы постарались взять на борт нашего космического корабля только самые лучшие научные инструменты. Приборы были выбраны таким образом, что они могли дополнять друг друга.

Если бы я выбирал, то конечно же отметил бы камеру JANUS. Она будет снимать изображения фантастической чёткости. С её помощью мы увидим и Юпитер и его спутники совершенно иначе. Её разрешение составляет менее десяти метров на пиксель, что позволит исследователям понять кое-что о процессах, происходящих на поверхности лун. Наличие такого инструмента всегда плюс, как геологов и других учёных, так и для широкой публики.

В решении вопроса существования подповерхностного океана нам поможет магнитометр J-MAG. С его помощью нам удастся обнаружить крошечные изменения в магнитном поле, которые вызывает наличие солей в воде. А в случае с Ганимедом, мы также определим глубину океана. Мы и вправду не знаем, насколько он глубок. Может 10, может 40, а может 50 километров. Нам хотелось бы иметь представление о количестве воды, которое залегает под поверхностью этого спутника. Магнитометр предоставит нам такую информацию.

Другой интересный инструмент — лазерный высотомер GALA. С его помощью мы сможем изучить рельеф Ганимеда: обнаружить горы, каньоны и т.д. Заодно мы сможем проследить изменение формы спутника в результате приливного взаимодействия с Юпитером.

10,5-метровая стрела магнитометра J-MAG – одного из одиннадцати научных приборов аппарата JUICE. Credit: ESA-G

Насколько много воды содержится в этих ледяных лунах по сравнению с тем, что мы имеем на Земле?

Поразительно, неожиданно и очаровательно то, что мы полагаем, что эти каждый из ледяных спутников содержит в себе больше жидкой воды, чем есть на Земле. Глубина нашего океана составляет около десяти километров. Но океаны тех лун намного глубже. Возможно, их глубина может достигать 200 километров. Для сравнения: Европа потенциально может иметь в два раза больше жидкой воды, чем Земля, а Ганимед – в пять раз.

Как по-вашему, что миссия JUICE расскажет нам о формировании Солнечной системы? И изменит ли она наше представление о том, что такое обитаемая зона?

Для начала мы соберём все изображения и данные, что сможем. Они помогут нам понять систему в её нынешнем состоянии. Основываясь на этих знаниях, мы сможем составить полную картину. Соберём всю информацию, экстраполируем во времени, проведём моделирование, будем думать над теориями. Может быть, в таком случае нам удастся узнать что-то новое о происхождении спутников Юпитера.

Очень сложно понять, какие данные удастся собрать JUICE. Но я практически уверен, что когда мы получим данные из всех спутниковых систем (имеются в виду системы спутников других планет-гигантов Солнечной системы – прим. переводчика), то получим интересные выводы по вопросам формирования и происхождения этих спутников.

А вот решение вопроса обитаемости будет в первую очередь зависеть от решения вопроса с наличием жидкой воды. После того, как мы окончательно подтвердим её присутствие, нам предстоит как-то охарактеризовать подповерхностные океаны.

Насколько они глубоки? Каков их состав? Где именно под поверхностью они залегают? Они ближе к самой поверхности или к центру спутника? Вся эта информация будет использована при изучении обитаемости, потому что обитаемость океана будет зависеть от каждого из этих факторов.

Аппарату “Кассини” удалось пройти сквозь водяные выбросы спутника Сатурна Энцелада и изучить их. Вы планируете провернуть что-нибудь подобное с JUICE?

На данный момент у нас есть намёк на то, что подобные выбросы происходят на Европе. Но стопроцентной уверенности нет. По нескольким причинам.

Обнаружить эти выбросы довольно проблематично. Хотя в случае с Энцеладом они получились очень чёткими. Их буквально было видно. В случае с Европой ничего не ясно. А по другим спутниками ничего обнаружено не было.

Но мы собираемся отправить JUICE к Европе на два близких пролёта. Аппарат пролетит на расстоянии примерно в 400 километров от поверхности спутника. Возможно, нам удастся пройти сквозь один из выбросов. Зонду от этого вреда не будет никакого: Проблема состоит в том, что нам нужно будет адаптировать траекторию полёта таким образом, чтобы пройти через выброс. Это сложная задача, поскольку траектория движения аппарата ограничена множеством условий. Если будет возможность – мы сделаем это.

Аппарат VERNE (Vertical Entry Robot For Navigating Europa) в представлении художника

В этом году исполняется 410 лет со дня открытия Галилео Галилеем четырёх “галилеевых спутников” Юпитера. За это время мы перешли от наблюдения за ними в телескоп к фактическому планированию отправки туда космического аппарата. Как вы думаете, каким будет будущее исследования этих лун?

Никогда не знаешь, что ждёт тебя за углом. Но я думаю, что следующим логичным шагом после JUICE (в зависимости от результатов, конечно) будет миссия по отправке на одну из ледяных лун Юпитера посадочного аппарата.

Если у нас будет достоверная информация о наличии жидкой воды под поверхностью одной из этих лун, то я думаю, что было бы неплохо отправить туда какой-то аппарат, способный пройти сквозь всю толщу льда и начать изучение внеземного океана с помощью субмарины. Или что-то вроде того. Думаю, что подобная миссия может состояться в ближайшие 50 лет.

Технологии развиваются довольно быстро. В течение ближайших нескольких лет мы наверняка увидим тринадцатого человека на Луне. Это просто научная фантастика какая-то! Ну а следующим логичным шагом после Луны и Марса станет поверхность ледяных лун Юпитера. Может быть через 100, 200 или 300 лет такое станет возможным.