Gazowy olbrzym. Król planet pod lupą

Jowisz jest planetą gazową, składającą się w 75% z wodoru i w 24% z helu. Te proporcje u osób zaznajomionych z chemią Wszechświata powinny od razu zaświecić odpowiednią lampkę. Tak, gdyby tylko Jowisz był nieco cięższy, gdyby dał radę we wczesnych etapach formowania się Układu Słonecznego zgromadzić więcej (no może nie odrobinę, bo jakieś kilkadziesiąt razy więcej) materii, to mógłby zapłonąć na naszym niebie zdecydowanie wyraźniejszym blaskiem. Zakładając, że w warunkach z dwiema gwiazdami mogłoby dojść do powstania życia na Ziemi (a nawet samej Ziemi w ogóle), to moglibyśmy poczuć się jak Luke Skywalker patrzący na zachód dwóch Słońc nad Tatooine.

Do tego jednak nie doszło, choć Jowisz i tak jest trzecim co do jasności obiektem nocnego nieba (po Księżycu i Wenus, choć czasem, na krótko, na podium wskoczyć może Mars, będąc w wielkiej opozycji). Mocno promieniuje także w zakresie podczerwonym za względu na zjawisko kontrakcji – Jowisz kurczy się o ok. 3 cm rocznie, co powoduje zmniejszenie energii grawitacyjnej zamienianej w ciepło. Ze względu na swoją masę i związaną z nią grawitację jest często bombardowany przez komety i asteroidy. Impakty te zostawiają w atmosferze Jowisza ciemne ślady, umożliwiając obserwacje głębszych warstw atmosfery.

Z uwagi na swoje rozmiary księżyce Jowisza zostały odkryte już w XVII wieku przez Galileusza, który wypatrzył je w swojej niewielkiej lunecie. Planeta z czterema jasnymi punktami, które w ciągu jednej nocy przemierzają wyraźną drogę wokół niej, wydała się włoskiemu uczonemu jakby miniaturą Układu Słonecznego, co spowodowało zainteresowanie teorią geocentryczną Kopernika. Księżyce te same w sobie są też interesującymi obiektami badań.

Do układu Jowisza doleciało na tę chwilę 9 sond kosmicznych, z czego tylko dwie badały planetę przez dłuższy czas, wchodząc na orbitę wokół niej. Główną trudnością, przez którą tak niewiele misji kosmicznych dotarło do największej planety Układu Słonecznego, jest ilość energii, jaka jest potrzebna do dotarcia do Jowisza. Aby tego dokonać, potrzeba zyskać ok. 9 km/s względem prędkości, jaką mamy po wyjściu na orbitę Ziemi.

A to taka sama prędkość, jaką należy uzyskać, aby w ogóle unieść się z powierzchni i wylecieć na orbitę Ziemi. Już samo to pożera ogromną ilość paliwa, które trzeba zabrać ze sobą, co jeszcze bardziej utrudnia rozpędzanie się. Oczywiście w przestrzeni kosmicznej nie musimy się przedzierać przez gęste warstwy atmosfery ani walczyć z grawitacją Ziemi, jednak przy znanych nam technologiach napędu (nie licząc napędu jonowego, który jednak potrzebuje dużej ilości czasu, aby tak bardzo rozpędzić sondę) nie jesteśmy w stanie wziąć w kosmos tyle paliwa, by móc na własnych silnikach dotrzeć do Jowisza (ani tym bardziej dalej).

Do tego, by tam dolecieć, potrzebujemy tzw. asysty grawitacyjnej, czyli takiego przelotu w pobliżu innej planety, aby dać się przyciągnąć na tyle, by sporo przyspieszyć, ale nie wejść na orbitę. Taki manewr, choć bardzo czasochłonny, jest niezwykle efektywny i pozwala zaoszczędzić ponad 90% paliwa, jakiego należałoby użyć w innym przypadku. Minusem jest bardzo długi czas lotu, wynoszący kilka lat. W przypadku Jowisza sondy podróżują około 6 lat, zanim dostaną się w jego pobliże.

Pierwsza, która tego dokonała to sonda Pioneer 10 już w 1973 roku. Rok później powtórzyła to sonda Pioneer 11. Obie sondy zdołały zrobić zdjęcia największej z planet, odkryły także jej magnetosferę i pasy radiacyjne oraz dostarczyły dowodów na istnienie płynnego wnętrza Jowisza (jest to głównie wodór pod tak dużym ciśnieniem, że istnieje w formie ciekłej). Dalej, dzięki asyście grawitacyjnej samego Jowisza, sondy uzyskały trzecią prędkość kosmiczną, co umożliwiło im opuszczenie Układu Słonecznego.

Dzięki danym zebranym przez sondy Pioneer NASA zaprojektowała kolejne misje – Voyager 1 i 2 – tak, by przelot w pobliżu Jowisza przez pasy największego promieniowania planety nie uszkodził aparatury sond. To właśnie te dwie sondy odwiedziły Jowisza w 1979 roku, zbliżając się także do jego księżyców i odkrywając aktywność wulkaniczną na Io oraz lód na powierzchni Europy. Dla sondy Voyager 2 był to także zaplanowany manewr asysty grawitacyjnej w jej drodze do dalszych planet Układu Słonecznego.

Przelot obok Jowisza pomógł także innej sondzie – Cassini – w jej podróży do Saturna. Nie znaczy to, że Cassini w pobliżu Jowisza próżnowała. Jej instrumenty naukowe pozwoliły zobrazować skomplikowaną strukturę atmosfery Jowisza, łącznie z jego południowym biegunem. Ostatnią zaś do tej pory sondą, która przeleciała w pobliżu Jowisza, by nabrać dzięki temu prędkości do podróży w pobliże Plutona, była sonda New Horizons. Co ciekawe, już gdy mijała ona gazowego olbrzyma, Pluton nie był planetą, straciwszy to miano rok wcześniej.

Do tej pory tylko dwie misje kosmiczne miały na celu badanie wyłącznie Jowisza. Spośród planet zewnętrznych to i tak dobry wynik, bo Saturna badała tylko sonda Cassini, a na orbitę Urana czy Neptuna nie weszły do tej pory żadne sondy.

Pierwszą maszyną na orbicie Jowisza była sonda Galileo, która wystartowała w roku 1989 na pokładzie wahadłowca Atlantis i po sześciu latach lotu z wykorzystaniem asysty ze strony Wenus i Ziemi dotarła do piątej planety od Słońca. Jej kamera i dziewięć innych instrumentów naukowych odesłały raporty, które pozwoliły naukowcom ustalić między innymi, że lodowy księżyc Jowisza, Europa, posiada prawdopodobnie ocean podpowierzchniowy z ilością wody większą niż całkowita jej ilość na Ziemi. Odkryto również wzmożoną aktywność wulkaniczną na Io, która sprawia, że powierzchnia tego księżyca nieustannie się zmienia. Wśród rezultatów badań jest także odkrycie, że gigantyczny księżyc Ganimedes (większy od Merkurego) posiada własne pole magnetyczne. Sonda Galileo wysłała także niewielki próbnik, który zagłębił się w atmosferę Jowisza i zbierał dane o jej składzie przez niemal godzinę, zanim zniszczyło go ogromne ciśnienie.

Listę sond kosmicznych, które do tej pory badały Jowisza, zamyka sonda Juno, wystrzelona w 2011 roku. Jej podróż do gazowego olbrzyma trwała 5 lat i początkowo badania trwać miały kolejne 5 lat. Nie obyło się bez problemów. Tuż przed rozpoczęciem badań awarii uległ silnik główny sondy. Juno znajdowała się wtedy na silnie eliptycznej 53-dniowej orbicie i przy pomocy głównego napędu miała wprowadzić się na docelową orbitę 14-dniową.

W związku z awarią zaniechano ostatecznie tego manewru i od tej pory sonda Juno okrąża Jowisza raz na 53 dni, zbliżając się do niego na nieco ponad 4000 km, po czym oddalając się na 8 mln km. Juno znajduje się na orbicie polarnej, dzięki czemu może obserwować całą planetę, m.in. oba bieguny. I to właśnie na biegunach odkryła ciekawe formacje cyklonów ułożonych na biegunie północnym w kształt ośmiokąta foremnego, a na południowym w kształt pięciokąta.

Dalsze badania potwierdziły nieregularności w polu magnetycznym Jowisza, które są prawdopodobną przyczyną powstania takich formacji. Juno obserwowała także zorze polarne na biegunach, także takie, które były spowodowane przez naładowany pył z… księżyca Io (a dokładnie z jego wulkanów). W atmosferze Jowisza dochodzi także do znanych na Ziemi rodzajów wyładowań atmosferycznych (odpowiednio przeskalowanych) takich, jak błyskawice czy sprite’y, na Jowiszu nazwane elfami.

Misja Juno miała zakończyć się planowo w 2021 roku, ale w związku z dobrą kondycją sondy została przedłużona do 2025 roku. Umożliwi to dokładniejsze badania okolicy Jowisza, w tym pasów naładowanych cząstek z Europy i Io, które magnetosfera Jowisza złapała w kształcie torusa wokół orbit tych księżyców. Dane te pomogą w lepszym zaplanowaniu kolejnych misji wysyłanych w kierunku układu piątej planety.

Kolejne badania będą skupiały się na księżycach Jowisza, w szczególności na Europie. Do niej odnosi się nazwa misji Europa Clipper, która ma wystartować według planu w przyszłym roku. Przebywając na orbicie wokół Jowisza, sonda wykona serię bliskich przelotów nad Europą, aby przy użyciu swoich instrumentów naukowych zbadać lodową powierzchnię Europy i poszukać dowodów na istnienie podpowierzchniowego oceanu ciekłej wody.

Sonda ma też wykonać szczegółową mapę geologiczną Europy, zbadać skład jej powierzchni i prześwietlić lód przy użyciu radaru. Sonda będzie w stanie także zbadać cząstki wyrzucane przez gejzery księżyca. Rezultaty badań mają nas przybliżyć do odpowiedzi na pytanie, czy w oceanicznym świecie Europy mogło być lub kiedykolwiek powstać życie.

Tymczasem startująca już w kwietniu tego roku sonda JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer) będzie miała za zadanie wejście na orbitę… Ganimedesa. Po serii przelotów w pobliżu pozostałych księżyców galileuszowych (z wyłączeniem Io, który znajduje się zbyt blisko Jowisza, by można go było bezpiecznie badać) JUICE, jako pierwszy próbnik wysłany z Ziemi, ma wejść na orbitę satelity innej planety.

Cele naukowe sondy są podobne do tych, które ma sonda Europa Clipper – przede wszystkim zbadanie lodowej powierzchni księżyców Jowisza i prawdopodobnego oceanu podpowierzchniowego na każdym z nich (bez Io). Co ciekawe, misja JUCIE jest pierwszą misją jowiańską, której nie przeprowadzi NASA. Wszystkie, które się już odbyły lub odbywają oraz misja Europa Clipper to misje agencji z USA. Tymczasem sonda JUICE jest w całości misją ESA – Europejskiej Agencji Kosmicznej, która w 2012 roku wybrała kilka programów badawczych – m.in. JUICE – do realizacji z najwyższym priorytetem. Sonda rozpocznie pracę około roku 2029.

Badania Jowisza to nie tylko chęć zaspokojenia ciekawości i poznania wszystkich planet Układu Słonecznego. Jowisz wraz ze swymi największymi księżycami stanowi pod wieloma względami swoisty układ planetarny (zwłaszcza że Ganimedes, jak już wspomniałem, jest większy od Merkurego). Poza tym podpowierzchniowe zbiorniki ciekłej, słonej wody na księżycach Jowisza rozpalają wyobraźnię naukowców, będąc świetnymi miejscami, w których mogło narodzić się życie poza Ziemią. Być może odkryjemy tam jeśli nie organizmy żywe, to chociaż ślady po nich lub związki chemiczne, które budują organizmy tu, na Ziemi. Tak czy inaczej układ Jowisza jest skarbnicą wiedzy i choć trudno się tam dostać, to na pewno warto próbować.

Autor: Jerzy Konarski