Den intense stråling omkring Jupiter har formet alle aspekter af Juno-missionen, især Junos bane. Data viser, at der er et mellemrum mellem strålingsbælterne, der omgiver Jupiter, og Jupiters sky-toppe. Juno bliver nødt til at "trække nålen" og rejse gennem dette hul for at minimere dens udsættelse for stråling og for at opfylde sine videnskabelige mål. Ud over Juno-missionens kompleksitet er det faktum, at design af rumfartøjet, de videnskabelige mål og omløbskravene alle formede hinanden.
Jeg var ikke sikker på, hvilket spørgsmål jeg skulle starte dette interview med: Hvordan formede forholdene omkring Jupiter, især dens ekstreme stråling, Junos bane? Eller, hvordan formede den bane, der var nødvendig for Juno for at overleve Jupiters ekstreme stråling, Junos videnskabelige mål? Eller endelig, hvordan formede videnskabsmålene Junos bane?
Scott Bolton, NASAs hovedundersøgelsesleder for Juno-missionen til Jupiter. Billedkredit: NASA
Som du kan se, virker Juno-missionen som en smule af en gordisk knude. Jeg er sikker på, at alle tre spørgsmål blev stillet og besvaret flere gange med svarene til de andre spørgsmål. For at hjælpe med at løsne denne knude talte jeg med Scott Bolton, NASAs vigtigste efterforsker for Juno-missionen. Som den person, der er ansvarlig for hele Juno-missionen, har Scott en fuldstændig forståelse af Junos videnskabelige målsætninger, Junos design og den orbitalsti Juno vil følge omkring Jupiter.
F.EKS: Hej Scott. Tak for at du tog dig tid til at tale med mig i dag. Jupiters stråling er en stor fare, som Juno er nødt til at kæmpe med, og Junos titaniumhvelv er designet til at beskytte Junos elektronik. Men Junos bane er delvis formet af strålingen omkring Jupiter. Hvordan har strålingen omkring Jupiter formet Junos bane?
"... vi vidste, at regionen omkring Jupiter er virkelig dårlig, farlig og hård med stråling ..."
SB: Nå, det begrænsede vores valg, lad os sige. Junos bane blev valgt gennem en kombination af mulighederne for videnskabelige målinger, som havde brug for en bestemt form for geometri eller placering af rumfartøjet for at udføre, og det faktum, at vi var nødt til at undgå så godt vi kunne den mest farlige region, dybest set i solsystem. Dette krævede, at vi var meget tæt på Jupiter og polære i orientering. Vi går over Jupiters polakker. Og vi vidste, at regionen omkring Jupiter er virkelig dårlig, farlig og hård med stråling, men vi havde heller aldrig været derinde med et rumfartøj. Så vi er ikke helt sikre på, hvor hård det er, eller præcist hvordan det er formet. Vi har bare nogle ideer.
Men gennem analogier med Jorden og gennem modellering var vi i stand til at finde ud af en måde at nå de videnskabelige mål, vi ønskede, og stadig holde os ude af de værste regioner. Juno kommer ind over polerne og vil dyppe meget tæt på Jupiter på en måde, som vi tror vil være mellem strålingsbælterne og Jupiters atmosfære i sig selv.
På Jorden er der et lille vindue mellem vores egne strålingsbælter - som ikke er så farlige som Jupiters, men er formet på en lignende måde - og Jordens atmosfære. Der er et hul der, og vi har bevis for, at der også er en kløft hos Jupiter, og vi trækker den nål.
F.EKS: Hvor kom beviset for dette hul fra, andet end bare at se på jordens Van Allen-bælter? Var der nogen observationer fra nogen af NASAs observatorier, der viste, at der ville være et lignende hul omkring Jupiter?
SB: Vi brugte radioteleskoper som VLS (Very Large Array) og andre radioteleskoper over hele verden, der kan se på Jupiter, og ved bestemte frekvenser ser de, hvad der kaldes synchrotronstråling. Synchrotronstråling er meget høje energielektroner, der bevæger sig i nærheden af lysets hastighed, og de afgiver radioemissioner. De afgiver det i en meget specifik geometri baseret på relativistisk fysik. Vi kan se det, og det fortæller os noget om, hvordan strålingen er formet, og hvordan bestanden af højenergi-elektroner er fordelt. Det bruges i modeller, og vi er i stand til at indikere, at der skal være en smule af et hul, delvis fordi når vi ser på den stråling, ser det ud som om det går bagefter, da det kommer meget tæt på Jupiter. Men vi har en begrænset opløsning, så selvom der er en indikation af, at der er en kløft mellem Jupiter og dens strålingsbælter, er der ikke noget positivt bevis.
F.EKS: Så Juno i sig selv vil være det positive bevis på, at der er en kløft mellem Jupiter og dens strålingsbælter?
SB: Ja. Og så har vi en anden måling, der hjælper os med at forstå dette. Galileo-rumfartøjet, der kredsede Jupiter tilbage i midten af 90'erne indeholdt en sonde, der gik ind i Jupiters atmosfære for at finde ud af, hvad den var lavet af. Denne sonde foretog nogle målinger med nogle meget rå instrumenter, næsten som Geiger-tællere, og dataene fra disse målinger indikerede en strålingstop og derefter et hul tæt på Jupiter. Så det gav os yderligere bevis på, at der er et hul. Selvom det er et meget begrænset datasæt, er det i overensstemmelse med modellerne fra radioteleskoper.
F.EKS: Du må have haft nogle videnskabelige mål for Juno-missionen, så hvordan formede denne forståelse af Jupiters strålingsbælter og den bane, der kræves for at undgå dem, de videnskabelige mål for Juno-missionen? Tvungede det nogen målsætninger, der blev opgivet helt?
”Faktisk var det de videnskabelige mål, der dybest set kørte bane.”
SB: Nej slet ikke. Faktisk var det de videnskabelige mål, der dybest set kørte bane. Det var det, der fik os til at ønske at komme tæt på. Spørgsmålet var, hvor tæt vi kan komme, det er sikkert, og hvor mange gange kan vi gå i kredsløb? Så jeg vil sige, at hvad strålingen gør, er det ikke ændrede vores bane så meget som begrænser antallet af gange, vi kan bane. Så vi havde en begrænset levetid, og på grund af den begrænsede levetid gik vi ind i en bane, der gjorde det muligt for os at kortlægge planeten så hurtigt som muligt. Vi vil flyve meget tæt på det ved mange forskellige længdegrader, der er jævnt fordelt.
De videnskabelige mål og strålingsbælternes begrænsninger fortalte os, at Juno kun vil vare så længe, så du er nødt til at få kortet gjort inden for en begrænset periode. Så der er lidt af en kompromis. Der var måske en måde at beskytte Juno længere med mere titanium, mere afskærmning, til at vare lidt længere, men det bliver så slemt i slutningen, at jeg ikke er sikker på, om vi beskyttede det mere, at det ville vare længere.
"Havde jeg været i stand til at lægge nok brændstof om bord, kunne jeg have ændret bane midt i missionen ..."
F.EKS: Faldende afkast, gætte jeg?
SB: Højre. Så begrænsningerne i konstruktionen og det praktiske ved hvad vi kan udsætte på en raket er virkelig det, der begrænsede os. Havde jeg været i stand til at lægge nok brændstof om bord, kunne jeg have ændret bane midt i missionen for at give os mulighed for at vare længere. Det kræver dog en enorm mængde brændstof. Hvad der sker er, når du er tæt på Jupiter, det ikke er perfekt symmetrisk, så det begynder at ændre formen på Junos bane.
F.EKS: Så du har brug for at foretage korrektioner for at opretholde bane?
SB: Ja, men vi kan ikke. Vi har ikke nok brændstof til at gøre sådan noget, så du er nødt til at leve med, hvad Jupiter gør for bane. Så det begynder at dreje bane rundt, og hver gang vi kommer af Jupiter begynder det at dreje bane lidt mere. Vi bruger det videnskabeligt lidt, men virkeligheden er det bare noget, vi er nødt til at leve med. For den første halvdel af missionen, hvis tilstande er korrekte, behøver vi ikke at tackle den maksimale mængde stråling, men mod den sidste halvdel af missionen begynder det at blive værre. Vi kan ikke undgå strålingsbælterne så meget, som vi kunne i starten. Det er dybest set det, der begrænser Juno-missionens levetid.
F.EKS: Så Jupiter påvirker konstant Junos bane, og du har en begrænset kapacitet til at tackle det?
SB: Det er korrekt. Det skyldes, at Jupiter ikke er en perfekt sfære.
F.EKS: Og et af målene er at kortlægge Jupiters tyngdekraft?
SB: Ja, for at finde ud af, hvor nøjagtigt ufuldstændig en sfære det er [latter.] Og så for at lære af det om, hvordan det er indenfor struktur, og dermed hvordan det dannede sig.
F.EKS: Dette virker som et godt tidspunkt at spørge, hvad formen på Juno's bane er? Hvor tæt på Jupiter kommer den, og hvor langt væk kommer den under dens bane?
"... vi er ude i nærheden af de ydre måner, i nærheden af Callisto eller så."
SB: Det er en ellipse, ligesom de fleste kredsløb, og dets nærmeste tilgangspunkt er omkring 5.000 km (3100 miles) over skyetoppene eller så, og det kaldes perijove. På den anden side er vi ude i nærheden af de ydre måner, i nærheden af Callisto eller så.
F.EKS: Derefter en god afstand.
SB: Ja, det er ganske langt væk. Det tager Juno 14 dage eller deromkring at afslutte en bane. Og så er den anden retning lige lige over polerne. Lige over nord- og sydpolen. Men vi kommer ikke ind i den bane umiddelbart. Vi skal først skyde vores raketter, og vi kommer ind i en meget større bane, der tager omkring 53 dage at gå rundt, og afstanden vi går væk fra Jupiter er så meget længere. I løbet af de første par måneder har vi nok brændstof til at ændre bane til at få det, vi til sidst vil have, og det tager et par måneder at gøre.
F.EKS:Så Juno er også solcelledrevet, bortset fra dens brændstof til at ændre sin bane. Du skal forblive udsat for solen, så det må have været en ekstra, når du designer din bane?
”... generelt undgår vi skygger eller okkultationer fra Jupiter.”
SB: Ja, det var en ekstra begrænsning i den forstand, at jeg vil undgå at gå i Jupiters skygge. Jeg vil have, at solcellepaneler altid skal se solen. Vi kan gå korte perioder uden det, men generelt undgår vi skygger eller okkultationer fra Jupiter.
F.EKS: Er det en af grundene til, at bane fører dig så langt fra Jupiter? For at undgå at gå ind i Jupiters skygge?
SB: Yeah, det er rigtigt. Selvom du kunne undgå det, selvom du var så tæt, hvis du kredsede i siden. Jeg behøver ikke at gå bag Jupiter, selvom bane var lille. Men du skal beregne alt det og sørge for.
F.EKS: Vil alle Junos instrumenter være aktive i alle dets kredsløb? Eller er nogle af banerne dedikeret til visse sensorer og instrumenter?
SB: Generelt er alle instrumenter aktive. Men vi har kredsløb, der er fokuseret på visse ting baseret på pegekrav. For eksempel tyngdekraftsmåling. Når vi ønsker at måle tyngdekraftsfeltet, er vi nødt til at sikre, at antennen er rettet mod jorden så meget som muligt. Sådan måler du tyngdekraftsfeltet, ser du på signalet, som Juno sender tilbage til Jorden, og du måler Doppler-skiftet for radiosignalet, og det fortæller dig, hvordan tyngdekraftsfeltet har skubbet og trukket på Juno.
Når vi ikke måler tyngdekraftsfeltet, har vi andre instrumenter, der foretrækker at pege direkte på Jupiter. De kan stadig tage dataene, mens vi måler tyngdekraftsfeltet, men det er bedre, hvis de peger direkte mod Jupiter. Vi kan tolerere, at fordi solpanelerne stadig vender mod solen, og vi stadig kan forblive i kommunikation med rumfartøjet, kan vi bare ikke få den fulde tyngdekraftmåling.
”… I slutningen af missionen forventes det ikke, at solcellerne skal udføre så godt, som de gør i begyndelsen.”
Så vi har nogle baner, der er dedikeret til den geometri. Selvfølgelig, når vi er dedikeret til, at det plejede at være, at vi bare kan lukke tyngdekraftssystemet, hvis vi ikke bruger det. Men jeg tror, at vores estimater nu er, at vores magt er tilstrækkelig til, at vi muligvis kan holde disse begge på samme tid. Uanset om vi gør det eller ej, er det ikke påkrævet, men i slutningen af missionen forventes det ikke, at solcellerne udfører så godt, som de gør i starten.
F.EKS: Det er på grund af strålingen? Af samme grund, som elektronikken er følsom, vil solcellerne nedbrydes over tid?
SB: Det er rigtigt. Så vi har dem beskyttet, men vi ved ikke, hvor godt det fungerer nøjagtigt. Vi har ikke det i vores planer, men vi kan rumme det med tanken om, at vi ved afslutningen af missionen, hvis vi ikke har nok strøm til at køre alt, kan begynde at lukke nogle af de instrumenter, der har gjort det meste af videnskaben, som vi ville have dem til at gøre. Vi kan sortere skift, til hvilke instrumenter der er tændt, og hvilke der ikke er.
F.EKS: Så det giver dig en vis missionfleksibilitet, hvis strålingen er mere alvorlig end modellering antyder? Har du en vis fleksibilitet til at prioritere i slutningen?
SB: Det er korrekt. Lige nu antyder vores modeller, at vi ikke behøver at gøre det, men vi er i stand til at dreje det drejeknap, hvis vi har brug for det.
F.EKS: Jeg undrer mig over den detaljerede modellering, som du har gjort til Jupiters stråling og Juno-missionen, og ser på de tilgængelige oplysninger på NASAs websteder og andre kilder. Det antydes, at alle Junos instrumenter ikke forventes at overleve de 33 baner, er det ikke? Er der en slags et best case-scenarie for instrumentoverlevelse? Jeg har læst, at JIRAM (Jupiter Infrarød Auroral Mapper) og måske Junocam muligvis kun varer indtil den 8. bane, og mikrobølgeradiometeret kan muligvis kun vare indtil bane 11. Er den slags et best case-scenarie? Eller mere en midt i vejmodellen, som du følger disse bane numre?
SB: Vi håber, det er det værste tilfælde. De er designet til at overleve det med en faktor på 2 margen i stråling. Det er sandsynligvis lidt større end en faktor to. Så de skulle være i stand til at gøre det uden problemer. Det ville være en overraskelse, hvis de ikke varede så længe. Vores forventning er, at de sandsynligvis vil gå til slutningen af missionen. Men det regner jeg ikke med, og det kræver jeg ikke. Det kom fra det faktum, at et par af disse instrumenter ikke har deres elektronik inde i <titanium> -hvelvet.
F.EKS: Er det fordi de ikke kræver alle 33 baner for at udføre deres mission? Prioriteres instrumenter til at være inde i titanhvelvet baseret på hvor mange baner, de har brug for for at fuldføre deres mission?
"I hvælvingen med al elektronikken kan være et ganske varmt sted, og nogle instrumenter er lidt bedre stillet, når det er koldt."
SB: Det er rigtigt. Så sådan har vi taget det valg. De havde åbenlyst brug for en vis beskyttelse mod Jupiters stråling, så der er små kasser omkring dem, men ikke som den gigantiske hvælving. Der er også nogle andre grunde til, at de ikke er i hvælvingen. Der er nogle fordele ved at flytte dem ud. I hvælvingen med al elektronikken kan være et ganske varmt sted, og nogle instrumenter er lidt bedre stillet, når det er koldt. Så der er forskellige handler, der er gået. Men du har karakteriseret det godt i den forstand, at vi ikke er påkrævet for at opfylde de videnskabelige mål for at få dem til at vare hele opdraget. Men min forventning er, at der er fordele, hvis de holder længere, så vi har håb, når vi designet dem, at de ville vare længere.
F.EKS: Scott, hvad er din formelle titel på NASA?
SB: Officielt kaldes det Principal Investigator. Så jeg er den vigtigste efterforsker af Juno-missionen. Det er en officiel titel, der kun betyder noget for NASA-folk temmelig meget.
F.EKS: Så du har været på mission design lige fra begyndelsen af Juno?
SB: Oh yeah. Jeg skabte slags hele tinget eller hele processen. Hvad den vigtigste efterforsker betyder for den gennemsnitlige person, er jeg ansvarlig for Juno. For alt og alt, der er forbundet med Juno, er jeg ansvarlig for dets succes. Uanset om det er design, teknik, videnskab, få det bygget til tiden, bruge for mange penge, tidsplanen, alt det slags. En anden måde at sige det på er, at hvis noget går galt, er jeg den, der får skylden [latter].
F.EKS: Nå, jeg tror, at meget af det vil gå rigtigt [latter.] Så ligesom mig selv skal du være meget ivrig på at forvente, at Juno kommer til Jupiter. Hvad er den mest interessante og spændende del af Junos mission, hvis du skulle vælge en ting? Jeg er sikker på, at det er næsten umuligt at svare på. Og hvad kan være en overraskelse for dig? Når vi ser på New Horizons ankomst til Pluto og de overraskende ting, vi fandt der, eller Cassini, der finder isgejsere, ser det ud til, at der venter en overraskelse på os. Hvad synes du er mest spændende ved Juno, eller hvad synes du kan være et overraskende fund?
"... den spændende del af Juno er, at vi går et sted, som ingen nogensinde har været før."
SB: Ved definitionen af overraskelse kan jeg ikke gætte. Ingen af disse ting kunne forventes, og det var derfor, det var overraskelser. Men du ved, den spændende del af Juno er, at vi rejser et sted, som ingen nogensinde er gået før. Vi vil foretage målinger, der aldrig er foretaget. Vi har instrumenter, der simpelthen aldrig er blevet oprettet før, så ikke desto mindre at få dem til denne unikke orbitalgeometri, hvor du kan foretage specielle målinger. Så jeg tror, at forventningen om at lære noget helt nyt, der vil overraske os, er den spændende del.
Hvad skal vi virkelig lære, der vil ændre vores ideer om, hvor vi kom i form, og hvordan vi kom hit? Hvordan er Jupiter virkelig? Der er så mange gåder om det, og det er så vigtigt. Selv i dag har de ting, vi har lært om vores eget solsystem, og de ting, vi har lært om andre solsystemer, da vi har kunnet begynde at se ekso-planeter, gjort Jupiter endnu vigtigere for os. Det holder virkelig nøglen, og jeg synes, den spændende del er, at vi omsider vil låse en af dørene op til disse hemmeligheder. Vi hjælper med at gøre vejen til fremtidige missioner for at lære endnu mere.
Den anden ting, jeg synes, er spændende, selvom jeg er det, der kaldes den vigtigste efterforsker, og hvis du spørger NASA, hvad det betyder, og de fortæller dig, at jeg er ansvarlig for alt, er den virkelige sandhed, at det ikke er én person. Det er et enormt team, der fik dette til at ske. Det hjalp med at designe det, der skabte en måde at gøre det på, som forstod begrænsningerne, der forstod, hvordan det kunne fungere, der regnede ud de teknologier, vi havde brug for for at få det til at ske, og som dybest set havde visionen om at skabe det og havde evne til at implementere det og bringe den vision til virkelighed. Jeg er begejstret for, at jeg er en del af dette team af mennesker, der udfører dette, og at dette hold faktisk kun er en del af vores samfund og menneskehed, som alt sammen når ud til at prøve at finde ud af ting. Ting som hvordan vi passer ind i naturen og hvordan universet fungerer. Jeg er bare generelt begejstret over at være en del af noget, der prøver at gøre noget sådan.
F.EKS: Det er fantastisk, og jeg er helt enig med dine ord, og jeg synes, det er spændende for mig selv og for læsere af Space Magazine. Det er en enorm mission, og vi kan ikke vente med at begynde at få nogle resultater tilbage. Og noget billede. Det er super-spændende.
SB: Også mig. [latter]
F.EKS: Tak for at du tog dig tid til at tale med mig i dag Scott. Forhåbentlig kan vi tale igen. Jeg ved, at folk er meget interesseret i Juno-missionen.
SB: Selv tak. Hav en god dag.
