Voimakas säteily Jupiterin ympärillä on muokannut Juno-tehtävän kaikkia näkökohtia, etenkin Junon kiertorataa. Tiedot osoittavat, että Jupiteria ympäröivien säteilyhihnojen ja Jupiterin pilvipeitteiden välillä on rako. Junon on "langoitettava neula" ja kuljettava tämän aukon läpi säteilyaltistuksen minimoimiseksi ja tiedetavoitteiden saavuttamiseksi. Juno-tehtävän monimutkaisuutta lisää se, että avaruusaluksen suunnittelu, tieteelliset tavoitteet ja kiertoratavaatimukset kaikki muotoilivat toisiaan.
En ollut varma, minkä kysymyksen kanssa tämä haastattelu aloitetaan: Kuinka Jupiterin ympäristön olosuhteet, etenkin sen äärimmäinen säteily, muovisivat Junon kiertoradan? Tai kuinka Junoon tarvittava kiertorata Jupiterin äärimmäisen säteilyn selviytymiseksi muotoili Junon tieteelliset tavoitteet? Tai viimeinkin, kuinka tieteen tavoitteet muovasivat Junon kiertoradan?
Scott Bolton, NASA: n päätutkija Juno-operaatiossa Jupiteriin. Kuvahyvitys: NASA
Kuten näette, Juno-tehtävä näyttää olevan vähän Gordian-solmu. Olen varma, että kaikki kolme kysymystä oli esitettävä ja vastattava useita kertoja, vastausten kanssa muokkaamalla muita kysymyksiä. Tämän solmun purkamisen helpottamiseksi puhuin Scott Boltonille, NASA: n päätutkijalle Juno-operaatiossa. Koko Juno-tehtävästä vastuussa olevana Scottilla on täydellinen käsitys Junon tieteellisistä tavoitteista, Junon suunnittelusta ja kiertoradalla, jota Juno kulkee Jupiterin ympärillä.
ESIMERKIKSI: Hei Scott. Kiitos, että käytit aikaa puhuaksesi minulle tänään. Jupiterin säteily on suuri vaara, johon Junon on kohdistuttava, ja Junon titaaniholvi on suunniteltu suojaamaan Junon elektroniikkaa. Mutta Junon kiertorata on osittain muokattu Jupiterin ympäristön säteilyllä. Kuinka Jupiterin ympärillä oleva säteily on muokannut Junon kiertorataa?
"... tiesimme, että Jupiterin ympäristö on todella huono, vaarallinen ja kova säteilyn takia ..."
SB: No, se rajoitti valintamme, sanotaan. Junon kiertorata valittiin yhdistämällä mahdollisuudet tieteellisiin mittauksiin, joiden suorittamiseen tarvittiin tietynlainen geometria tai avaruusaluksen sijainti, ja tosiasia, että meidän piti välttää niin hyvin kuin pystyimme vaarallisimmalle alueelle, pohjimmiltaan, aurinkokunta. Tämä vaati meitä olemaan hyvin lähellä Jupiteria ja olemaan polaarisia. Menemme Jupiterin napojen yli. Ja tiesimme, että Jupiterin ympäristö on todella huono, vaarallinen ja kova säteilyn takia, mutta emme myöskään ole koskaan menneet sinne avaruusaluksen mukana. Joten emme ole aivan varmoja kuinka ankara se on tai tarkalleen kuinka se on muotoiltu. Meillä on vain ideoita.
Mutta maapallon analogioiden ja mallinnuksen avulla pystyimme keksimään tavan saavuttaa haluamamme tieteelliset tavoitteet ja pysyä silti poissa pahimmista alueista. Juno tulee sisään pylväiden yli ja upottaa hyvin lähelle Jupiteria tavalla, jonka uskomme olevan säteilyvyöhykkeiden ja itse Jupiterin ilmakehän välissä.
Maapallolla on pieni ikkuna omien säteilyvyömme välillä - jotka eivät ole läheskään yhtä vaarallisia kuin Jupiterin, mutta jotka on muotoiltu samalla tavalla - ja maan ilmakehässä. Siellä on aukko, ja meillä on todisteita siitä, että myös Jupiterissa on aukko, ja pujotamme neulaa.
ESIMERKIKSI: Mistä todisteet tästä kuilusta tulivat muuten kuin vain maan Van Allen -vyöhykkeiden tarkastelemiseen? Oliko jollain NASA: n observatoriossa havaintoja, jotka osoittavat, että Jupiterin ympärillä olisi samanlainen aukko?
SB: Käytimme radioteleskooppeja, kuten VLS (Very Large Array), ja muita radioteleskooppeja ympäri maailmaa, jotka voivat katsoa Jupiteria, ja tietyillä taajuuksilla he näkevät ns. Synkrotronisäteilyn. Synkrotronisäteily on erittäin korkean energian elektroneja, jotka liikkuvat lähellä valon nopeutta ja lähettävät radiosäteilyä. Ne antavat sen hyvin spesifisessä geometriassa, joka perustuu relativistiseen fysiikkaan. Voimme nähdä sen, ja se kertoo meille jotain säteilyn muodostumisesta ja kuinka energian suurien elektronien populaatio on jakautunut. Tätä käytetään malleissa, ja pystymme osoittamaan, että pitäisi olla pieni aukko, osittain siksi, että kun tarkastelemme tuota säteilyä, näyttää siltä, että se loppuu, kun se tulee hyvin lähelle Jupiteria. Mutta meillä on rajoitettu resoluutio, joten vaikka on merkkejä siitä, että Jupiterin ja sen säteilyhihnojen välillä on aukko, ei ole mitään positiivista näyttöä.
ESIMERKIKSI: Juno itsessään on siis positiivinen todiste siitä, että Jupiterin ja sen säteilyhihnojen välillä on aukko?
SB: Joo. Ja sitten meillä on yksi muu mittaus, joka auttaa meitä ymmärtämään tämän. Jupiteria kiertänyt Galileo-avaruusalus 90-luvun puolivälissä sisälsi anturin, joka meni Jupiterin ilmakehään selvittääkseen, mistä se oli tehty. Tuo koetin suoritti joitain mittauksia joillakin erittäin raa'illa instrumenteilla, melkein kuin Geiger-laskurit, ja näiden mittausten tiedot osoittivat säteilyhuipun ja sitten aukon lähellä Jupiteria. Joten se antoi meille lisää todisteita aukon olemassaolosta. Vaikka se on erittäin rajallinen tietojoukko, se on yhdenmukainen radioteleskooppimallien kanssa.
ESIMERKIKSI: Sinulla on pitänyt olla tietyt tieteelliset tavoitteet mielessä Juno-tehtävässä, joten miten tämä Jupiterin säteilyvyöjen ymmärtäminen ja niiden välttämiseksi kiertorata muodosti Juno-tehtävän tieteelliset tavoitteet? Pakottiko se tavoitteista luopumaan kokonaan?
"Itse asiassa tieteelliset tavoitteet ajoivat periaatteessa kiertoradan."
SB: Ei, ei ollenkaan. Itse asiassa tieteen tavoitteet ajoivat periaatteessa kiertoradan. Juuri tämä ajoi meidät haluamaan päästä todella lähelle. Kysymys oli, kuinka lähellä voimme saada turvallisen, ja kuinka monta kertaa voimme kiertää? Joten sanoisin, että mitä säteily tekee, eikö se muuttanut kiertoradaamme niin paljon kuin rajoitti sitä kuinka monta kertaa kiertäämme. Joten meillä oli rajoitettu elämäaika, ja koska sen rajoitetun elämäajan, menimme kiertoradalle, joka antoi meille mahdollisuuden kartoittaa planeetta mahdollisimman nopeasti. Haluamme lentää sen lähellä hyvin monilla eri pituusasteilla, jotka ovat tasaisesti toisistaan.
Tieteen tavoitteet ja säteilyvyöhykkeiden rajoitukset kertoivat meille, että Juno kestää vain niin kauan, joten sinun täytyy saada kartta valmistetuksi rajoitetussa ajassa. Joten on olemassa pieni kompromissi. Ehkä oli tapa suojata Juno pidempään titaanilla, enemmän suojauksella, kestää vähän kauemmin, mutta lopussa se on niin huono, etten ole varma, suojaisimmeko sitä enemmän, että se kestäisi kauemmin.
"Jos voisin laittaa tarpeeksi polttoainetta alukseen, olisin voinut muuttaa kiertorataa keskellä operaatiota ..."
ESIMERKIKSI: Pienenevät tuotot, luulen?
SB: Oikea. Joten rajoitukset suunnittelulle ja käytännöllisyydelle, mitä voimme laukaista raketilla, todella rajoittivat meitä. Jos voisin laittaa tarpeeksi polttoainetta alukseen, olisin voinut muuttaa kiertorataa keskellä operaatiota, jotta voisimme kestää kauemmin. Se vaatisi kuitenkin valtavan määrän polttoainetta. Mitä tapahtuu on, kun olet lähellä Jupiteria, se ei ole täysin symmetrinen, joten se alkaa muuttaa Junon kiertoradan muotoa.
ESIMERKIKSI: Joten joudut sitten tekemään korjauksia ylläpitämään kiertorataa?
SB: Kyllä, mutta emme voi. Meillä ei ole tarpeeksi polttoainetta tehdä jotain sellaista, joten sinun täytyy elää sen kanssa, mitä Jupiter tekee kiertoradalle. Joten se alkaa kiertää kiertorataa ympäri, ja joka kerta kun tulemme Jupiterista, se alkaa kiertää kiertorataa hiukan enemmän. Käytämme sitä vähän tieteellisesti, mutta todellisuus on se, että meidän täytyy vain elää. Jos toimintamallit ovat oikeat, operaation ensimmäisellä puoliskolla meidän ei tarvitse käsitellä enimmäismäärää säteilyä, mutta operaation jälkipuoliskolla se alkaa pahentua. Emme voi välttää säteilyvyöjä niin paljon kuin pystyimme alussa. Se on pohjimmiltaan se, mikä rajoittaa Juno-tehtävän elinaikaa.
ESIMERKIKSI: Joten Jupiter vaikuttaa jatkuvasti Junon kiertoradalle, ja sinulla on rajoitetut mahdollisuudet käsitellä sitä?
SB: Pitää paikkansa. Se johtuu siitä, että Jupiter ei ole täydellinen pallo.
ESIMERKIKSI: Ja yksi tavoitteista on kartoittaa Jupiterin painovoima?
SB: Kyllä, saadaksesi selville, kuinka tarkalleen epätäydellinen pallo se on [naurua.] Ja sitten oppia siitä siitä, millainen sen sisustus on ja miltä se sitten muodostui.
ESIMERKIKSI: Tämä näyttää hyvältä ajalta kysyä, mikä on Junon kiertoradan muoto? Kuinka lähellä Jupiteria se pääsee ja kuinka kaukana se saavuttaa kiertoradallaan?
"... olemme ulkona lähellä kuita, lähellä Callistoa tai niin."
SB: Se on ellipsi, kuten useimmat kiertoradat, ja sen lähin lähestymispiste on noin 5000 km (3100 mailia) pilvien yläosien yläpuolella, ja sitä kutsutaan perijoveksi. Toisella puolella olemme ulkona lähellä kuita, lähellä Callistoa tai niin.
ESIMERKIKSI: Sitten melko matkan päässä.
SB: Kyllä, se on melko kaukana. Kierron kiertäminen kestää noin 14 päivää. Ja sitten toinen suunta on aivan tankojen yläpuolella. Oikein pohjoisen ja etelän napojen yläpuolella. Mutta emme ole päästävä kiertoradalle heti. Ensin täytyy ampua rakettimme ja pääsemme paljon suuremmalle kiertoradalle, jonka kiertäminen vie noin 53 päivää, ja etäisyys, jonka menemme pois Jupiterista, on paljon pidempi. Muutaman kuukauden aikana meillä on tarpeeksi polttoainetta muuttaaksesi kiertorataa saadaksemme lopulta haluamamme, ja se vie muutaman kuukauden.
ESIMERKIKSI:Juno on siis aurinkovoimainen kuin polttoaineensa kiertoradan muuttamiseksi. Sinun on pysyttävä auringossa, joten sen on täytynyt olla lisäsuunnitelma kiertoradan suunnittelussa?
"... yleisesti ottaen vältetään varjoja tai Jupiterin tekemiä oksennuksia."
SB: Joo, se oli lisärajoitus siinä mielessä, että haluan välttää joutumasta Jupiterin varjoon. Haluan, että aurinkopaneelit näkevät aina auringon. Voimme mennä lyhyitä aikoja ilman sitä, mutta yleensä vältetään varjoja tai Jupiterin aiheuttamia oksennuksia.
ESIMERKIKSI: Onko tämä yksi syy siihen, että kiertorata vie sinut niin kaukana Jupiterista? Jotta vältetään menemistä Jupiterin varjoon?
SB: Joo niin on. Vaikka voisit välttää sitä, vaikka olisit niin lähellä, kiertäessäsi sivuttain. Minun ei tarvitse mennä Jupiterin taakse, vaikka kiertorata olisi pieni. Mutta sinun on laskettava kaikki tämä ulos ja varmistettava.
ESIMERKIKSI: Ovatko kaikki Junon instrumentit aktiivisia kaikissa sen kiertoradoissa? Vai onko jotkin kiertoradat omistettu tietyille antureille ja instrumenteille?
SB: Yleensä kaikki instrumentit ovat aktiivisia. Mutta meillä on kiertoratoja, jotka keskittyvät tiettyihin asioihin osoitusvaatimusten perusteella. Esimerkiksi painovoiman mittaus. Kun haluamme mitata painovoimakenttää, meidän on varmistettava, että antenni on suunnattu maapallolle niin paljon kuin mahdollista. Näin mittaat painovoimakentän, katsotko signaalia, jonka Juno lähettää takaisin Maahan, ja mitat radiosignaalin Doppler-siirtymän, ja se kertoo kuinka gravitaatiokenttä on työntänyt ja vetänyt Junoon.
Kun emme mittaa painovoimakenttää, meillä on muita instrumentteja, jotka haluaisivat osoittaa suoraan Jupiterille. He voivat silti ottaa tietoja, kun mittaamme painovoimakenttää, mutta on parempi, jos he osoittavat suoraan Jupiterille. Voimme sietää sitä, koska aurinkopaneelit ovat edelleen osoittaneet aurinkoon ja voimme silti olla yhteydessä avaruusaluksen kanssa, emme vain pysty saamaan täydellistä painovoimakentän mittausta.
"... tehtävän lopussa aurinkokennojen ei odoteta toimivan yhtä hyvin kuin he alussa."
Joten meillä on joitain kiertoratoja, jotka on omistettu tuolle geometrialle. Tietysti, kun olemme omistautuneet siihen, niin se oli ennen, että voimme vain sammuttaa painovoimajärjestelmän, jos emme käyttäneet sitä. Uskon kuitenkin, että arviomme ovat nyt riittävät, jotta voimme pitää nämä molemmat samanaikaisesti voimassa. Teemme sen vai ei, sitä ei vaadita, mutta tehtävän lopussa aurinkokennojen ei odoteta toimivan yhtä hyvin kuin he tekevät alussa.
ESIMERKIKSI: Se johtuu säteilystä? Samasta syystä, että elektroniikka on herkkä, aurinkokennot hajoavat ajan myötä?
SB: Oikein. Joten meitä on suojattu, mutta emme tiedä kuinka hyvin ne toimivat tarkalleen. Meillä ei ole sitä suunnitelmissamme, mutta voimme mukauttaa sen ajatukseen, että operaation lopussa, jos meillä ei ole tarpeeksi voimaa kaiken suorittamiseen, voimme alkaa sulkea joitain instrumentteja, joilla on tehnyt suurimman osan tieteestä, jonka halusimme heidän tekevän. Voimme eräänlainen vuorotellen, mitkä instrumentit ovat päällä ja mitkä eivät.
ESIMERKIKSI: Joten se antaa sinulle jonkin verran tehtävän joustavuutta, jos säteily on vakavampi kuin mallinnus ehdottaa? Onko sinulla joustavuutta priorisoida loppupäätä?
SB: Pitää paikkansa. Tällä hetkellä mallimme esittävät, että meidän ei tarvitse tehdä niin, mutta pystymme kääntämään valitsimen tarvittaessa.
ESIMERKIKSI: Ihmettelen yksityiskohtaisesta mallinnuksesta, jonka olet tehnyt Jupiterin säteilylle ja Juno-operaatiolle, ja katson NASA: n verkkosivustojen ja muiden lähteiden saatavilla olevia tietoja. On ehdotettu, että kaikkien Junon instrumenttien ei odoteta selviävän 33 kiertorataa, eikö totta? Onko instrumentin selviytymiselle paras tapaus? Olen lukenut, että JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) ja ehkä Junocam saattavat kestää vain kahdeksanteen kiertorataan asti, ja mikroaaltoradiometri saattaa kestää vain kiertoradalle 11. Kysymys on sellaisesta parhaasta tapauksesta? Tai enemmän keskelle tiemallia, jota seuraat noilla kiertoradalla?
SB: Toivomme, että se on pahin tapaus. Ne on suunniteltu selviytymään siitä kertoimella 2 säteilymarginaali. Se on todennäköisesti hiukan suurempi kuin kerroin kaksi. Joten heidän pitäisi pystyä tekemään se ilman ongelmia. Olisi yllättävää, jos he eivät kestä niin kauan. Odotamme, että he todennäköisesti menevät tehtävän loppuun. En kuitenkaan luota siihen ja en vaadi sitä. Se tuli siitä, että parilla näistä soittimista ei ole elektroniikkaansa <titaani> holvissa.
ESIMERKIKSI: Onko se, että he eivät vaadi kaikkia 33 kiertorataa suorittaakseen tehtävänsä? Otetaanko instrumentit etusijalle titaanin holvin sisällä sen perusteella, kuinka monta kiertorataa he tarvitsevat suorittaakseen tehtävänsä?
"Holvissa kaiken elektroniikka voi olla melko lämmin paikka, ja jotkut instrumentit ovat hiukan paremmin, kun se on kylmä."
SB: Oikein. Joten näin teimme päätöksen. He tietysti tarvitsivat suojaa Jupiterin säteilyltä, joten niiden ympärillä on vähän laatikoita, mutta ei kuin jättiläinen holvi. On myös joitain muita syitä, miksi he eivät ole holvissa. Niiden siirtämiseen on joitain etuja. Holvissa kaiken elektroniikka voi olla melko lämmin paikka, ja jotkut instrumentit ovat hieman paremmin, kun se on kylmä. Joten on olemassa erilaisia kauppoja, jotka ovat jatkuneet. Mutta olet kuvaillut sitä hyvin siinä mielessä, että meitä ei vaadita saavuttamaan tieteen tavoitteita saadaksemme ne kestämään koko tehtävän. Mutta odotan, että niistä on hyötyä, jos ne kestävät pidempään, joten meillä on toivoa suunnitellessamme niitä kestävän pidempään.
ESIMERKIKSI: Scott, mikä on virallinen nimikkeesi NASAssa?
SB: Virallisesti sitä kutsutaan tutkijaksi. Joten olen Juno-tehtävän päätutkija. Se on virallinen nimi, joka tarkoittaa vain jotain NASA: n ihmisille melko paljon.
ESIMERKIKSI: Joten olet ollut mukana tehtävän suunnittelussa heti Junon alusta lähtien?
SB: Todellakin. Luon tavallaan koko asian tai koko prosessin. Mitä Vastuullinen tutkija tarkoittaa tavalliselle henkilölle, olen vastuussa Junosta. Kaikesta Junoon liittyvästä olen vastuussa sen menestyksestä. Olipa kyse suunnittelusta, tekniikasta, tieteestä, rakentamisesta oikeaan aikaan, viettämällä liikaa rahaa, aikataulusta ja kaikenlaisista tavaroista. Toinen tapa sanoa, että jos jokin menee pieleen, minua syytetään [naurua.]
ESIMERKIKSI: No, mielestäni paljon siitä menee oikein [naurua.] Joten minä, kuten minäkin, sinun on melko innokkaasti odotettava Junon saapumista Jupiteriin. Mikä on mielenkiintoisin ja mielenkiintoisin osa Junon tehtävää, jos joudut valitsemaan yhden asian? Olen varma, että siihen on lähes mahdotonta vastata. Ja mikä voi olla yllätys sinulle? Kun tarkastelemme New Horizonin saapumista Plutoon ja siellä löytämiämme yllättäviä asioita tai Cassinia etsimässä jäägeyserejä, näyttää aina olevan odotettavissa yllätys. Mikä mielestänne on Juno-mielenkiintoisin, tai mikä voisi mielestäsi olla yllättävä havainto?
"... Junon jännittävä osa on, että olemme menossa jonnekin, johon kukaan ei ole koskaan mennyt ennen."
SB: En voi ymmärtää yllätyksen määritelmää. Mitään näistä asioista ei voinut ennakoida, minkä vuoksi ne olivat yllätyksiä. Mutta tiedät, Junon jännittävä osa on, että olemme menossa jonnekin, jonne kukaan ei ole koskaan mennyt aiemmin. Aiomme tehdä mittauksia, joita ei ole koskaan tehty. Meillä on instrumentteja, joita ei yksinkertaisesti koskaan ole luotu aikaisemmin, puhumattakaan niiden saattamisesta tähän ainutlaatuiseen kiertoradan geometriaan, jossa voit tehdä erityisiä mittauksia. Joten mielestäni ennakointi oppia jotain aivan uutta, joka yllättää meitä, on jännittävä osa.
Mitä me oikeasti opimme muuttamaan ajatuksiamme siitä, missä tulimme muotoon ja miten pääsemme tänne? Millainen Jupiter on? Siinä on niin paljon arvoituksia, ja se on niin tärkeää. Jo tänään, asiat, jotka olemme oppineet omasta aurinkokuntajärjestelmästämme, ja asiat, jotka olemme oppineet muista aurinkojärjestelmistä, kun olemme voineet alkaa nähdä eksoplaneettoja, ovat tehneet Jupiterista vain entistä tärkeämmän meille. Siinä todella on avain, ja mielestäni jännittävä osa on, että avaamme vihdoin yhden oven salaisuuksiin. Autamme tulevien tehtävien tiellä oppimisen vielä enemmän.
Toinen mielestäni jännittävä asia on, vaikka minua kutsutaan päätutkijaksi, ja jos kysyt NASA: lta mitä tämä tarkoittaa ja he sanovat, että olen vastuussa kaikesta, totta on, että kyseessä ei ole yksi henkilö. Se on valtava joukkue, joka sai tämän tapahtumaan. Se auttoi suunnittelemaan sitä, loi tavan tehdä se, ymmärsi rajoitukset, ymmärtää kuinka se voi toimia, tajusi tekniikat, joita tarvitsimme sen toteuttamiseksi ja joilla oli pohjimmiltaan visio sen luomiseen ja joilla oli kyky toteuttaa se ja saattaa tuo visio todellisuuteen. Olen innoissani siitä, että olen osa tätä ihmisryhmää, joka toteuttaa tätä, ja että tämä joukkue on oikeastaan vain osa yhteiskuntamme ja ihmiskuntaa, joka kaikki pyrkii selvittämään asioita. Asiat kuten kuinka sopeudumme luontoon ja miten maailmankaikkeus toimii. Olen vain yleensä innoissani siitä, että olen osa jotain, joka yrittää tehdä jotain sellaista.
ESIMERKIKSI: Se on mahtavaa ja olen täysin samaa mieltä sanojesi kanssa, ja mielestäni se on jännittävää itselleni ja Space Magazine -lehden lukijoille. Se on valtava tehtävä, emmekä voi odottaa alkavan saada joitain tuloksia takaisin. Ja jokin kuva. Se on erittäin jännittävää.
SB: Minä myös. [Naurua]
ESIMERKIKSI: Kiitos, että käytit aikaa puhuaksesi minulle tänään Scott. Toivottavasti voimme puhua uudestaan. Tiedän, että ihmiset ovat kiinnostuneita Juno-tehtävästä.
SB: Ole hyvä. Hyvää päivänjatkoa.
