Скотт Болтон о миссиях к газовым гигантам Солнечной системы

Журнал New Scientist WEEKLY, July 23-29, 2022, Джошуа Хаугего

«Титан подобен фейерверку, который ждет, когда кто-нибудь зажжет спичку»

Скотт Болтон провел два десятилетия, возглавляя миссии к Юпитеру, Сатурну и их экзотическим спутникам, таким как Титан. Он рассказывает Джошуа Хоугего об удивительных открытиях и загадках, о том, что мы узнали, и какие ответы должны дать будущие миссии.

Примерно в 750 миллионах километров отсюда в черноте космоса висит огромный шар, окантованный оранжевыми и белыми полосами. Это Юпитер. Пройдите примерно то же расстояние еще раз, и вы попадете на окруженную кольцами планету Сатурн. Из всех планет эти два газовых гиганта доминируют в нашей солнечной системе – и за последние два десятилетия они также проникли в наше коллективное воображение, поскольку космические корабли, посланные исследовать их и их спутники, передали информацию о своих открытиях. Мы видели шестиугольную бурю, танцующую вокруг северного полюса Юпитера [ошибка автора статьи - шестиугольная буря обнаружена над северным полюсом Сатурна], метановый дождь на одном из спутников Сатурна - Титане, и обнаружили жидкую воду, извергающуюся из гейзеров на поверхности другого спутника Сатурна - Энцелада.

Многие люди работали над этими открытиями, но Скотт Болтон из Отдела космических наук и инженерии Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио, штат Техас, был центральной фигурой. После наблюдения за миссией Galileo к Юпитеру в 1989-2003 годах он был ведущим ученым миссии Cassini, которая изучала Сатурн в течение 13 лет до 2017 года, а теперь возглавляет миссию Juno, которая вращается вокруг Юпитера с 2016 года. NewScientist поговорил с ним о его двух десятилетиях изучения газовых гигантов и о том, что нам еще предстоит узнать.

Джошуа Хаугего: Вы были ключевым ученым в миссии Cassini к Сатурну, и она оказалась культовой экспедицией по исследованию космоса. Перенесите нас в конец 90-х годов, когда все это начиналось.

Скотт Болтон: Cassini был продолжением Voyager [миссии, предшествовавшей Galileo], который пролетел мимо Юпитера и Сатурна. Было два зонда Voyager, и оба они были способны отправиться в дальние уголки Солнечной системы. Но Титан, спутник Сатурна, был признан настолько важным для изучения, что была изменена траектория одного из зондов, пожертвовав перспективой его полета к Урану и Нептуну только для того, чтобы он мог получить близкий обзор Титана. В то время считалось, что Титан похож на пребиотическую Землю. Но когда Voyager приблизился, мы смогли увидеть только атмосферную дымку Титана, которая была настолько плотной, что сквозь нее почти ничего не было видно. Тем не менее, то, что обнаружил Voyager, только усилило интерес. Cassini был разработан для продолжения этого, для изучения Сатурна и всех его спутников, включая важнейшую попытку изучения Титана как с помощью орбитального аппарата, построенного NASA, так и с помощью зонда, предоставленного Европейским космическим агентством (ЕКА).

Чего достигла миссия Cassini?

Это была флагманская миссия [самая дорогая и амбициозная из всех миссий NASA], поэтому в ней рассматривался весь спектр научных задач, связанных с планетой-гигантом. У аппарата были новые радарные приборы, позволяющие видеть сквозь дымку и составлять карту поверхности Титана, что было очень важным из–за его возможной обитаемости и таких особенностей, как озера - то есть озера жидкого метана. Я часто шутил, что Титан - это гигантская огненная хлопушка, ожидающая, когда кто-нибудь зажжет спичку. Конечно, было также изучение Сатурна и его колец. Сначала мы держали Cassini подальше и не проходили через кольца, потому, что это было опасно. Но иногда он должен был проходить через кольцевую плоскость, и это было немного рискованно. Затем был шведский стол из спутников и лун вокруг Сатурна.

Изображение шторма в ложных цветах на северном полюсе Сатурна, полученное космическим аппаратом Cassini. Фото: NASA/JPL

Были ли какие-нибудь особенно интересные?

Одним из самых важных был Энцелад. Эта маленькая луна ошеломила ученых Cassini открытием глобального океана под его ледяной оболочкой, активных гейзеров, которые извергаются на высоту 200 километров над поверхностью, и признаков гидротермальной активности. На Cassini у нас был еще один специальный прибор - масс-спектрометр, и с его помощью мы могли по-настоящему изучить состав и попытаться понять, что происходит в гейзерных струях. Масс-спектрометрические измерения Cassini на Энцеладе были особенно захватывающими, потому что они выявили некоторые элементы, необходимые для его обитаемости (или для развития жизни): жидкую воду, углекислый газ и органические материалы наряду с доступной энергией.

Что Вы думаете о Cassini, оглядываясь назад, и как это соотносится с предыдущей миссией Galileo к Юпитеру?

Это продолжалось долгое время, и это определенно стало большим достижением как для NASA, так и для ЕКА. Galileo также был великой миссией. К сожалению, в нем были некоторые неработающие элементы. Космический аппарат был поставлен в невыгодное положение из-за того, что его главная антенна не полностью открылась, и у его старомодного магнитофона, который использовался для хранения научных данных, также были проблемы. У Cassini не было серьезных сбоев – почти все работало. Удивительные снимки, которые он смог вернуть, а также все его открытия, касающиеся Сатурна, его колец и лун, были вдохновляющими. Мне нравилось работать над Cassini.

Что натолкнуло Вас на идею полета Juno к Юпитеру?

Идея орбитального аппарата на полярной орбите Юпитера уходит корнями в далекое прошлое. Но когда мы пролетали мимо Юпитера с Cassini на пути к Сатурну, я думал о калибровке наших приборов и о том, что мы могли бы узнать о Юпитере. Два моих коллеги, Тоби Оуэн и Даниэль Готье, пришли ко мне и спросили, можем ли мы использовать радиолокационный прибор для измерения температуры атмосферы Юпитера. Они сказали мне, что если бы мы могли провести это измерение, это помогло бы нам понять, как сформировался Юпитер. Должно быть, это прозвучало довольно глубокомысленно. Я пошел домой и еще немного подумал об этом, а потом сказал, что думаю, что не смогу сделать это с помощью Cassini. Но если мы получим космический корабль с приборами другого типа, которых в то время на самом деле не существовало, и выведем его на такую орбиту, то, возможно, это получится. И они сказали: это основа всей миссии. Эта миссия в конечном итоге превратилась в Juno.

Космический аппарат Juno проходит над южным полюсом Юпитера. Иллюстрация NASA

Куда мы продвинулись в главной задаче Juno - выяснить, как образовался Юпитер?

Было несколько измерений, которые были важны для нас. Один из них был: на что похоже ядро из тяжелых элементов – тех, что тяжелее гелия – внутри Юпитера? Было ли там какое-то твердое ядро или его вообще не было? Если Юпитер образовался подобно Солнцу – из облака газа и пыли, которое коллапсирует само по себе – то там может и не быть ядра из тяжелых элементов.

Если Юпитер сформировался больше как планета – у вас есть каменистые, ледяные предметы, сталкивающиеся друг с другом и склеивающиеся в комок размером, скажем, с Землю – тогда вы ожидаете увидеть это каменистое ядро все еще внутри Юпитера сегодня.

Когда Juno добралась туда и провела эти измерения, это был невероятный опыт, потому что ни один из этих сценариев не оказался верным. Вместо этого мы увидели размытое, нечеткое ядро, которое было довольно большим. Внутри может быть компактное ядро, и теперь, когда наша миссия была расширена, надеюсь, мы сможем это определить. Но мы поняли, что ни одна из первоначальных теорий на самом деле не работает. Для ученого это может быть разочаровывающим, но в то же время захватывающим. Мы обнаружили то, чего не ожидали, и это, в конечном счете, здорово. Теоретики сейчас работают над объяснением образования Юпитера с таким ядром, которое согласуется с данными Юноны. Но ответа пока нет.

Другая часть миссии состояла в том, чтобы выяснить, из чего состоит Юпитер. Есть ли в этом еще какой-то смысл?

Долгое время предполагалось, что если бы мы могли опуститься ниже основания облаков Юпитера, то в конечном итоге газ был бы хорошо перемешан, и мы смогли бы получить точное представление об общем составе Юпитера. Это и было целью зонда Galileo: измерение глобального содержания тяжелых элементов в Юпитере. Ключевым вопросом был ли там в изобилии кислород или вода. Если бы мы знали это, мы могли бы включить это в модель вместе с другими тяжелыми элементами, чтобы понять, как мы могли бы получить Юпитер с измеренным составом.

К сожалению, измерения зонда Galileo вызвали недоумение, и ученые полагали, что они не являются репрезентативными для всего Юпитера; что нам не повезло взять пробы в месте, которое было необычно теплым и сухим – что-то вроде пустыни Сахара на Юпитере. Таким образом, Juno был создан для оценки атмосферы во многих местах с помощью своего прибора - микроволнового радиометра, который может заглядывать далеко в атмосферу, гораздо глубже, чем может достичь зонд. С помощью Juno мы увидели, что намного ниже облаков содержание аммиака и воды все еще меняется. Это было полной неожиданностью, поскольку ученые полагали, что ниже атмосферного слоя, где конденсируются вода и аммиак, атмосфера будет хорошо перемешана. Но это неправда, и никто не знает, почему и как это может быть. Очень трудно получить глобальное среднее значение – и даже если вы это сделаете, вы должны задаться вопросом, будет ли это глобальное среднее значение таким же в центре Юпитера.

Каково лучшее объяснение, которое есть на данный момент?

В 2021 году была опубликована статья Тристана Гийо из обсерватории Лазурного берега в Ницце, Франция, и его коллег. Они выдвинули гипотезу, что, возможно, существует что–то вроде кашеобразного града – они назвали его «кашеобразными шариками», - которые образовались во время штормов на Юпитере высоко в его атмосфере. Таким образом, эти шарики размером с бейсбольный мяч будут улавливать воду, лед или аммиак, которые могут быть унесены в виде жидкости ниже уровня конденсации, прежде чем они испарятся, оставляя их неравномерно распределенными.

Одной из последних задач Juno был пролет мимо Ганимеда, самого большого спутника Юпитера. Расскажите нам об этом.

В июне 2021 года Juno завершил свою основную миссию, но поскольку миссия была продлена, нам не пришлось утилизировать космический корабль. Вместо этого мы смогли изменить орбиту, чтобы приблизиться к крупнейшим спутникам Юпитера [Ио, Каллисто, Европе и Ганимеду].

Первым был Ганимед. Мы пролетели на расстоянии около 1000 километров и провели полный научный обзор этого спутника. Например, у нас есть этот микроволновый прибор, который ведет наблюдения на шести различных частотах. Каждая частота видит лед, покрывающий эту луну, на разной глубине. Что мы пытаемся сделать, так это понять, как меняется этот лед – насколько он толстый и на что он похож. Ганимед покрыт различными типами рельефа, о которых мы уже знали: темным, светлым и промежуточным по яркости материалом, и даже линейными объектами, которые предполагают тектоническую активность.

Я думаю, что не менее интересно то, что через несколько месяцев мы получим такую же карту Европы, и ее лед сильно отличается от льда Ганимеда. Я не уверен, что мы полностью поймем данные о Ганимеде, пока не увидим те же данные о другом теле.

Сравнительные исследования, подобные этому, вероятно, являются самым важным инструментом науки, и мы собираемся получить эти данные – это действительно захватывающе. Проложат ли все эти наблюдения более четкий путь для JUICE и Europa Clipper - других миссий, предназначенных для исследования системы Юпитера?

Да, обе эти миссии получают информацию от Juno. До сих пор мы никогда не были в тех местах, через которые пройдут JUICE и Europa Clipper, но по мере того, как Juno проходит мимо юпитерианских лун, мы проводим измерения областей на их поверхности, и мы будем обновлять в этих районах наши модели радиации, которой мы все боимся, поскольку она может поджарить космические аппараты. Кроме того, мы получаем первые за много-много лет снимки спутников крупным планом, что также помогает информировать будущие миссии.

Ваша работа была сосредоточена на Юпитере и Сатурне. Но в Солнечной системе есть и другие, менее изученные планеты. Как Вы думаете, куда нам следует пойти дальше?

Что ж, до того, как недавно было объявлено о двух миссиях на Венеру, я был одним из тех, кто довольно сильно переживал, что Венера осталась в стороне. Возможно, нам следует проводить больше миссий на Венеру, возразят некоторые, и я не против этого. Венера - очень важная цель.

Я думаю, что ледяные гиганты Нептун и Уран также представляют собой хороший следующий шаг. Большой вопрос заключается в том, как быстро вы сможете туда добраться, потому что требуется много времени, чтобы разработать миссию и получить ее одобрение, а затем требуется много времени, чтобы добраться туда. В последнем десятилетнем обзоре [где раз в десятилетие NASA и его партнеры просят Национальный исследовательский совет определить приоритеты для будущих областей исследований, наблюдений и предполагаемых миссий] миссия на Уран была главной рекомендацией номер один, но в нем также признавалось, что, учитывая бюджет NASA, возможно, будет невозможно начать эту миссию в следующем десятилетии.

Я думаю, что одна из приятных вещей, которые показала Juno, заключается в том, что там, где, по вашему мнению, нужна флагманская миссия, может быть использована миссия в рамках программы New Frontiers, которая по своей сути быстрее и дешевле. Расширенная миссия Juno демонстрирует, что с помощью подобного космического аппарата мы можем изучать не только Уран или Нептун, но и действительно можем хорошо поработать и с их спутниками. Я думаю что, это дает нам надежду на то, что еще одной миссии к ледяному гиганту не придется ждать 20 лет.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: Scott Bolton on his missions to the gas giants of the solar system