Океаны больше земных: что европейский зонд будет искать на спутниках Юпитера

13 апреля к Юпитеру отправится зонд JUICE, принадлежащий Европейскому космическому агентству. Его название в переводе с английского означает «сок», но образовано от словосочетания JUpiter ICy moons Explorer, то есть «Исследователь ледяных лун Юпитера». Аппарат стоимостью €1,6 млрд должен установить несколько рекордов. Например, он несет самый большой комплекс научных приборов, когда-либо отправлявшийся дальше Марса. Но интереснее всего его миссия: изучить Ганимед, Европу и Каллисто — возможно, самые привлекательные в Солнечной системе места для поиска внеземной жизни.

Сок ледяных лун

Вода — одно из самых распространенных соединений во Вселенной, и Солнечная система не исключение. За орбитой Марса, вдали от солнечного тепла, начинается царство ледяных тел. Многие спутники планет-гигантов в значительной мере сложены из водяного льда.

Гравитация родительских планет или собратьев-спутников вызывает в ледяной толще приливы и отливы. У некоторых лун эти движения настолько мощные, что трение плавит лед. Так в недрах спутника образуется океан. Правда, теплым его не назовешь: если вода и не замерзает, то лишь благодаря высокому содержанию солей. И все-таки целый океан жидкой воды — очень заманчивое место для поиска жизни.

В Солнечной системе есть две луны, «обводненность» которых практически не вызывает сомнений. Это спутник Сатурна Энцелад и спутник Юпитера Европа. Энцелад знаменит своими гейзерами, бьющими высоко в космос. Над Европой тоже несколько раз замечали нечто похожее на шлейфы гейзеров. К тому же ее ледяная поверхность постоянно обновляется. Ученые полагают, что плиты местной ледяной коры тонут в водной мантии, а на их месте нарастают новые. Это напоминает круговорот тектонических плит на Земле.

Некоторые данные указывают на существование подледных океанов и на других лунах. Особенно интересны крупнейший спутник Юпитера Ганимед и немного уступающая ему размерами Каллисто, не менее чем наполовину состоящие изо льда. Один только подледный океан Ганимеда, если он реален, должен быть полноводнее Мирового океана Земли.

К этим лунам и отправится JUICE, чтобы поискать жидкий сок в твердых ледяных толщах.

Дальнее плавание

Чтобы добраться до Юпитера, зонду предстоит преодолеть более 600 млн км. Аппарату не хватило бы топлива, чтобы сделать это на собственных двигателях. Поэтому для разгона он воспользуется гравитацией Земли, Венеры и Солнца. Только в 2029 году JUICE завершит свои сложные маневры (некоторые из них применяются впервые в истории космонавтики) и начнет перелет к Юпитеру.

В июле 2031 года он выйдет на орбиту вокруг планеты. За полгода до этого включатся научные приборы миссии. Зонд будет обращаться вокруг Юпитера до 2034 года, наблюдая за Ганимедом, Европой, Каллисто и самой планетой. При этом он несколько раз сблизится с каждой из трех лун. Во-первых, это позволит изучить их подробнее. Во-вторых, гравитация спутников изменит орбиту аппарата, подготовив его к новому перелету.

В декабре 2034 года JUICE покинет Юпитер и выйдет на орбиту вокруг Ганимеда. Это сделает его первым космическим зондом, обращающимся вокруг спутника другой планеты. До этого аппараты выходили на орбиту только вокруг планет, астероидов и Луны. Впрочем, гиганту Ганимеду такая честь в самый раз. Это самый большой спутник в Солнечной системе: по диаметру (но не по массе) он больше планеты Меркурий.

Зонд последовательно перейдет на две круговые орбиты вокруг Ганимеда: сначала высотой в 5000 км над поверхностью, а потом и 500 км. Для сравнения: спутники, наблюдающие за Землей, обычно запускаются на высоты 550–700 км. Так что JUICE получит превосходный обзор, но, к сожалению, ненадолго. Любое орбитальное движение постепенно нарушается гравитацией соседних тел. Где-где, а в системе Юпитера их хватает. Поэтому орбиту нужно время от времени корректировать с помощью двигателей. JUICE возьмет с собой более 1200 кг топлива и окислителя, но и маневров ему предстоит немало. Так что уже в конце 2035 года он исчерпает горючее и разобьется о поверхность Ганимеда. Инженеры надеются, что датчики будут работать до последней секунды. Тогда и падение аппарата послужит науке: изображения и другие данные будут получены при максимальном сближении.

Дорожные тяготы

В пути зонд испытает огромный диапазон температур: от +250°C в районе Венеры до -230°C рядом с Юпитером. Неудивительно, что 100 кг полезной нагрузки пришлось потратить на теплоизоляцию. 

Это не единственная трудность дальнего путешествия. Радиосигнал с Земли добирается до Юпитера около часа, так что аппаратом невозможно управлять в реальном времени. Бортовому компьютеру JUICE придется самостоятельно справляться с большинством ситуаций. 

Еще одна проблема связана с энергией. На орбите Юпитера в 25 раз меньше солнечных лучей, чем в районе Земли. Чтобы запитать 2400-килограммовый зонд, понадобились самые большие в истории межпланетных полетов солнечные батареи: 27 м в размахе и 85 кв. м суммарной площади. И даже столь грандиозная конструкция выжмет из скудного местного солнца всего 850 Вт мощности (хватило бы на одну микроволновку или фен). Впрочем, по меркам межпланетных зондов эта цифра впечатляет. К примеру, марсоход Curiosity довольствуется всего лишь сотней ватт.

Заглянуть под панцирь

JUICE — самый оснащенный с научной точки зрения зонд, когда-либо исследовавший космос за орбитой Марса. На борту аппарата 11 устройств для изучения Юпитера, его спутников и межпланетного пространства.

Фотокамеры разглядят на Юпитере детали размером от 10 км, а на Ганимеде — от 2,4 м. Спектрометры проанализируют радио- и инфракрасные волны, видимый свет и ультрафиолетовые лучи. Это поможет определить состав льдов и минералов на поверхности ледяных лун, изучить разреженные газовые шлейфы спутников и верхние слои атмосферы Юпитера. Лазерный высотомер составит карту рельефа Ганимеда. Радар просканирует его ледяной панцирь на глубину до 9 км. Правда, до подледного океана более 150 км, но радар может засечь близкие к поверхности подледные озера. 

Обнаружить собственно подледные океаны поможет измерение магнитного поля вокруг спутников. Все они находятся в мощной магнитосфере Юпитера. А Ганимед имеет еще и собственное магнитное поле (это единственный в Солнечной системе спутник с магнитосферой). Подледная вода может оставаться жидкой, только если она очень соленая. А соленая вода хорошо проводит ток. Толстый электропроводящий слой должен влиять на магнитное поле, и приборы обязаны зафиксировать это влияние. JUICE измерит не только силу магнитного поля, но и поток радиоволн и заряженных частиц (мощная магнитосфера превращает Юпитер в природный ускоритель). Помимо прочего, это позволит понять, защищает ли ледяная броня от опасного облучения. Это важный вопрос для поисков жизни.

Подледные океаны должна выдать и гравитация. Вода тяжелее льда, но легче силикатных пород. Это должно сказаться на тяготении спутника. Точно измеряя координаты и скорость зонда, ученые составят карту гравитационных полей и проверят, есть ли у ледяных лун жидкая прослойка.

В системе Юпитера уже побывало несколько зондов, но JUICE изучит его интригующие спутники подробнее, чем когда-либо прежде. В основном аппарат сосредоточится на Ганимеде. Однако NASA планирует вскоре запустить собственную миссию Europa Clipper. Нетрудно понять, какой спутник Юпитера будет ее главной целью. Этот зонд тоже будет орбитальным, но обсуждается и проект посадки на Европу. Ученые намерены досконально выяснить, могут ли луны планет-гигантов скрывать под своими панцирями внеземную жизнь.