Один астроном как-то сказал, что Солнечная система состоит из Солнца, Юпитера и «кучки всякого мусора». Конечно, эту фразу не стоит воспринимать слишком серьезно, ибо каждая планета по своему уникальна и степень ее «интересности» никак не связана с размерами. Тем менее, она наглядно демонстрирует одну простую вещь: Юпитер действительно огромен. Это самая большая планета, чья масса в 2,5 раза превышает массу всех остальных семи планет вместе взятых. Поэтому, ее с полным правом можно называть королем Солнечной системы.
В этом материале мы разберем, как человечество исследовало Юпитер и поговорим о планах по его изучению в ближайшем будущем.
Звезды Медичи и скорость света
Юпитер является одним из самых ярких объектов на ночном небе. Так что он был хорошо известен античным астрономам, подробно описавшим 12-летний цикл его движения. Считается, что китайский зодиак появился как раз благодаря этому. В некоторых летописях также встречаются упоминания сопровождавшей Юпитер небольшой звездочки. Вполне возможно, что кому-то из наблюдателей прошлого с особо острым зрением удалось разглядеть его крупнейший спутник Ганимед.
Вопрос о том, кто же первым взглянул на Юпитер в телескоп, является дискуссионными. В свое время Галилео Галилей и Симон Марий оспаривали пальму первенства в этом достижении. Сейчас считается, что первым все же был Галилей, в то время как Марий провел свои наблюдения буквально на следующий день после итальянского астронома. Но в любом случае, именно Галилей поведал всему миру о том, что у планеты есть четыре компаньона. Итальянский астроном предлагал назвать их звездами Медичи, чтобы почтить своего финансового покровителя тосканского герцога Медичи. Но по иронии судьбы, в итоге за ними закрепились имена, которые предложил Симон Марий: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто.
Появление более мощных телескопов постепенно позволило астрономам узнать побольше о Юпитере. Выяснилось, что планета покрыта облачными поясами, которые вращаются вокруг нее с разной скоростью. В 1665 году Джованни Кассини увидел на Юпитере характерное красное образование. Многие ученые считают, что это было первое наблюдение Большого Красного пятна — гигантского атмосферного вихря, который существует уже как минимум несколько столетий.
Наблюдения спутников Юпитера позволили совершить другое знаменательное открытие. В 1671 году датский астроном Оле Ремер обнаружил, что их наблюдаемое положение не совпадает с вычисленными им параметрами, причем величина отклонения зависела от расстояния до Земли. На основании этих наблюдений Ремер сделал вывод о конечности скорости света и затем оценил ее в 220 000 км/с. Несмотря на то, что эта цифра примерно на четверть ниже истинного значения (300 000 км/с), это все равно был огромный научный прорыв для того времени.
Со временем астрономам удалось определить массу и размеры Юпитера. Выяснилось, что это крупнейшая планета Солнечной системы. Сейчас мы знаем, что диаметр Юпитера составляет 140 тысяч км. Это в одиннадцать больше, чем диаметр нашей планеты. Что касается массы, то она превосходит массу Земли в 318 раз. Для сравнения, масса Сатурна (вторая по размерам планета Солнечной системы) превосходит массу Земли всего в 95 раз.
По мере накопления научных знаний, астрономы постепенно поняли, что Юпитер радикально отличается от каменных тел вроде Земли или Марса. Планета представляет собой газовый гигант, более чем на 90% состоящий из водорода и гелия. У Юпитера нет твердой поверхности. По мере погружения в его недра, давление увеличивается настолько, что газы вначале начинают вести себя как жидкость, а затем и как твердое вещество.
В связи с огромными размерами Юпитера существует довольно популярный миф, что он является «неудавшейся звездой», которой совсем немного не хватило массы, чтобы внутри нее запустились термоядерные реакции. Но это не так. Чтобы стать неудавшейся звездой (коричневым карликом), масса Юпитера должна как минимум в 12 раз превосходить нынешнюю. Это слишком большая разбежка, чтобы всерьез говорить о такой возможности.
Одно из наиболее важных открытий связанных с Юпитером было сделано в 1955 году, когда выяснилось, что он является весьма активным источником радиоизлучения, уступая по этому показателю лишь Солнцу. Это связанно с уже упомянутыми особенностями внутреннего строения планеты. Из-за чрезвычайно высокого давления в его недрах, водород приобретает свойства металла. Возникающие в нем мощные электротоки порождают очень мощное магнитное поле, которое и является источником радиоимпульсов.
Полеты космических саперов
Хоть к началу космической эры астрономы и сумели определить основные характеристики Юпитера, конечно же, им хотелось узнать намного больше. Особенно их интересовали ответы на вопросы о том, как сформировалась планета, каково ее внутреннее строение и что именно происходит в ее атмосфере. Отдельный интерес представляло спутниковое семейство Юпитера. На тот момент информация о нем была крайне скудна, но, по крайней мере, уже было известно, что крупнейшие спутники по размерам вполне сопоставимы с Меркурием.
NASA начала разработку проекта первой юпитерианской миссии во второй половине 1960-х. Конструкторы столкнулись с рядом серьезных вызовов, ключевыми из которых являлись энергоснабжение аппарата и обеспечение с ним устойчивой связи. Еще одной важной проблемой была безопасность. Во-первых, на тот момент было неизвестно, насколько большую опасность для космических аппаратов представляет пояс астероидов. Во-вторых, у ученых были довольно смутные представления о мощи радиационных поясов планеты.
Из-за этого NASA приняла решение вначале отправить к Юпитеру пару относительно простых зондов, которые бы исполнили роль космических «саперов» и проверили безопасность маршрута для последующих более сложных и дорогостоящих миссий. Они получили название Pioneer 10 и Pioneer 11.
Pioneer 10 был запущен в марте 1972 года. В июле того же года он стал первым в истории космическим аппаратом, вошедшим в Главный пояс астероидов. Установленные на борту зонда приборы не зафиксировали заметного увеличения количества частиц по сравнению с окрестностями Земли. В феврале 1973-го Pioneer 10 успешно завершил прохождение пояса, доказав его безопасность для космической навигации.
Pioneer 10 совершил пролет Юпитера в декабре 1973 года. Аппарат собрал данные о составе атмосферы газового гиганта, уточнил его массу, измерил напряженность магнитного поля. Выяснилось, что исходящий от Юпитера тепловой поток в 2,5 раза превышает энергию, получаемую планетой от Солнца. Считается, что это происходит из-за его гравитационного сжатия.
Одну из главных сенсаций преподнесли радиационные пояса планеты, чья мощность превзошла все ожидания ученых. Pioneer 10 подвергся дозам облучения, в десять тысяч раз превосходившим мощность радиационных поясов Земли. Из-за огромного уровня радиации аппаратура зонда начала генерировать ложные команды, связь несколько раз прерывалась, была потеряна часть снимков. Но все же, Pioneer 10 удалось уцелеть.
Спустя год, окрестности Юпитера посетил Pioneer 11, подтвердивший основные выводы своего предшественника. Позже, на основе собранных им данных, инженеры NASA выстроили безопасную траекторию полета к Юпитеру для пары более сложных и дорогостоящих аппаратов, которые получили название Voyager.
Большое путешествие Voyager
Проект Voyager базировался на сделанном в 1960-е годы открытии. Тогда выяснилось, что в конце 1970-х все четыре планеты-гиганта Солнечной системы выстроятся в гигантскую дугу, что происходит лишь раз в 175 лет. Это давало уникальную возможность исследовать их «одним заходом». И Юпитер являлся первым пунктом в этом большом путешествии.
Миссия Voyager началась в 1977 году. Два года спустя пара зондов достигла крупнейшей планеты Солнечной системы. Открытия не заставили себя долго ждать. Оказалось, что у Юпитера есть кольца. В отличие от знаменитых колец Сатурна очень тусклые и в основном состоят из пыли.
Аппараты в деталях пронаблюдали динамику атмосферных процессов Юпитера. Впервые удалось получить подробные снимки Большого красного пятна. На момент визита зондов его диаметр составлял 21 тысячу км, что почти вдвое больше диаметра Земли.
Также зонды обнаружили три ранее неизвестных спутника Юпитера и сделали детальные снимки четырех открытых Галилеем лун. Выяснилось, что Ганимед является крупнейшим спутником в Солнечной системе (он даже больше Меркурия) и обладает собственным магнитным полем, а Европа имеет гладкую ледяную поверхность, покрытую трещинами. Сделанные зондами снимки стали отправной точкой в предположении, что под ее поверхностью может скрываться океан.
Но главной сенсацией стал Ио, где были найдены действующие вулканы. Сейчас это открытие может показаться не таким и значительным. Но надо учитывать исторический контекст. К 1970-м годам у многих астрономов сложилось представление о Солнечной системе, как о статичном месте, где помимо Земли нет геологически активных миров. Ио показала полную ошибочность этого мнения. На поверхности спутника имеются сотни вулканов, которые непрерывно извергаются, постоянно меняя его ландшафт. Протяженность их лавовых потоков может достигать сотен километров. Также на спутнике существуют целые озера, заполненные расплавленной серой.
Неудивительно, что обнаружение вулканов Ио сейчас считается многими наиболее важной из всех находок, сделанных аппаратами Voyager за годы их грандиозного путешествия.
Проблемный Galileo
Pioneer и Voyager изучали Юпитер с пролетной траектории. При всей важности своих миссий, они физически не могли задержаться в окрестностях газового гиганта ни на одну лишнюю минуту. Чтобы продолжить приоткрывать тайны планеты, ученым требовалось вывести аппарат на постоянную орбиту на газового гиганта.
Эта задача была возложена на миссию Galileo. Она состояла из одноименного орбитального аппарата, а также атмосферного зонда, который планировалось сбросить на Юпитер. Изначально, NASA собиралась запустить Galileo в конце 1986 года. Но затем произошла катастрофа шаттла Challenger. Из-за нее запуск Galileo пришлось отложить на четыре года. Этот перенос не лучшим образом сказался на дальнейшей судьбе миссии.
Все дело в том, что для запуска Galileo изначально планировалось использовать новый разгонный блок Centaur G. Он был способен обеспечить прямой перелет космического аппарата к Юпитеру без гравитационных маневров. Но после гибели Challenger в NASA сочли слишком рискованным брать этот разгонный блок на борт шаттла. В результате, специалистам пришлось использовать менее мощный разгонный блок, который уже не был способен напрямую отправить Galileo к Юпитеру. Поэтому они разработали новый маршрут полета, включавший выполнение ранее не планировавшегося гравитационного маневра у Венеры для разгона.
Это породило непредвиденную проблему. Поскольку основная антенна аппарата не была рассчитана на воздействие высоких температур, было решено не разворачивать ее, пока зонд не удалится на безопасное расстояние от Солнца. До этого момента Galileo использовал маломощную вспомогательную антенну. И вот, когда аппарат, наконец, приступил к развертыванию основной антенны, ее заклинило и она так и не смогла раскрыться. В результате на протяжении всей своей последующей миссии ему приходилось поддерживать связь исключительно через вспомогательную антенну. Из-за ее малой мощности, Galileo передал намного меньше данных, чем если бы его основная антенна сохранила работоспособность.
Как бы то ни было, Galileo достиг Юпитера в 1995 году. Во время его перелета произошло сенсационное событие: газовый гигант столкнулся с фрагментами кометы Шумейкеров-Леви 9. К сожалению, Galileo не смог напрямую увидеть бомбардировку планеты, поскольку обломки упали на противоположной от него стороне Юпитера. Но он зафиксировал мощнейшие атмосферные возмущения и впоследствии сфотографировал места падения кометы.
После тог, как Galileo вышел на орбиту вокруг Юпитера, от него отделился зонд. Он вошел в атмосферу планеты в декабре 1995 года и в итоге сумел погрузиться на глубину примерно в 150 км, после чего его раздавило огромным давлением. Как это часто бывает в науке, переданные зондом данные во многом не совпали с ожиданиями, основанными на существовавших тогда моделях атмосферы Юпитера. Например, земному посланцу не удалось обнаружить предполагавшегося слоя водяного пара. Юпитерианские облака оказались тоньше, а грозовая активность меньше ожидаемой. А вот скорость ветров значительно превысила прогнозы. Зонду удалось зафиксировать порывы, достигавшие 550 км/ч.
Что касается самого Galileo, то он изучал Юпитер до 2003 года. Из-за проблем с антенной аппарат передал значительно меньше данных, чем того бы хотелось ученым. Тем не менее, Galieo удалось совершить ряд важных открытий. Среди них можно выделить обнаружение аммиачных облаков на Юпитере, выявление глобальной структуры и динамики его магнитосферы и определение процесса формирования колец планеты.
Кроме того, Galileo подтвердил существование магнитосферы Ганимеда и получил доказательства того, что под поверхностью Европы расположен гигантский океан жидкой воды. Последующий анализ его данных указал на то, что аналогичные океаны также могут скрываться в недрах Ганимеда и Каллисто.
Миссия Galileo была завершена в 2003 году. Чтобы исключить вероятность будущего столкновения аппарата со спутниками планеты и загрязнения их поверхности земными организмами, аппарат был намеренно направлен на Юпитер, после чего сгорел в его атмосфере.
Стоит отметить, что поскольку Юпитер является самой массивной планетой Солнечной системы, NASA несколько раз использовала его гравитацию в качестве бесплатной заправки: для разгона миссий, направляющихся в дальние уголки Солнечной системы. В 1990 – 2000-е этой возможностью воспользовались миссии Cassini и New Horizons. А зонд Ulysses использовал гравитацию Юпитера, чтобы изменить наклонение своей орбиты и выйти из плоскости эклиптики. Это позволило ему провести первые в истории исследования полярных регионов Солнца.
Juno и будущие юпитерианские миссии
Несмотря на все технические проблемы, миссия Galileo в целом оказалась довольно успешной. Однако некоторые тайны короля Солнечной системы так и остались нераскрытыми. И одна из них была связана с его внутренним строением. Дело в том, что у ученых имелись две основные версии формирования планеты. По одной из них, изначально Юпитер представлял собой твердый объект, который затем аккрецировал вещество из протопланетного диска, нарастив свою массу. По другой, планета сформировалась в результате прямого коллапса протопланетного диска. В первом случае у Юпитера должно иметься компактное каменное ядро. Во втором его вовсе может не быть.
Чтобы узнать, какой из этих двух сценариев соответствует действительности, в 2011 году NASA запустила новую миссию, которая получила название Juno. Помимо изучения внутреннего строения планеты, на нее также была возложена задача исследования ее гравитационного и магнитного поля.
Juno достиг Юпитера в 2016 году. Вновь не обошлось без некоторых проблем. Из-за сбоя в работе основного двигателя, аппарат не сумел выйти запланированную орбиту. Тем не менее, это не помешало ему провести запланированные измерения. И вновь, их результаты удивили ученых. Оказалось, что у Юпитера есть ядро — и при этом оно куда крупнее и содержит больше тяжелых элементов, чем ожидалось. Существует версия, что во всем виновато катастрофическое столкновение, произошедшее на заре Солнечной системы. Компьютерное моделирование показывает, что новорожденный Юпитер мог столкнуться с объектом, чья масса составляла около 10 масс Земли. Такой удар привел бы к полному разрушению изначального ядра газового гиганта и перемешивания его с веществом погибшей протопланеты. Этот сценарий может объяснить, почему ядро Юпитера такое «распухшее».
Juno также впервые в истории сфотографировал полюса Юпитера. А нерасчетная орбита аппарата со временем открыла перед ним дополнительные возможности. После того как NASA несколько раз продлевала срок службы Juno, оказалось, что в будущем он сможет совершить ряд близких пролетов нескольких крупных спутников Юпитера. В 2021 году аппарат совершил визит к Ганимеду. За ним последовал близкий пролет Европы в 2022 году. В этом году настал черед Ио. Juno все еще находится в строю. Ожидается, что аппарат сможет продолжать работу как минимум до 2025 года.
В начале следующего десятилетия к Юпитеру прибудут сразу две миссии: европейская JUICE и американская Europa Clipper. Правда их основной целью станет не сама планета, а ее ледяные спутники, под поверхностями которых скрываются гигантские океаны. В настоящее время ученые считают, что именно они являются одними из наиболее перспективных мест для поиска жизни в Солнечной системе.
JUICE был запущен в этом году и должен достичь Юпитера летом 2030 года. План полета предполагает, что он совершит ряд близких пролетов Европы, Ганимеда и Каллисто. В конце своей миссии JUICE выйдет на постоянную орбиту вокруг Ганимеда и совершит посадку на его поверхность.
Europa Clipper будет запущен в следующем году и тоже достигнет Юпитера в 2030 году. Его основной целью станет Европа. Europa Clipper должен будет выполнить серию близких пролетов спутника. Если аппарату удастся найти какие-то признаки обитаемости его океана, это наверняка ускорит реализацию проекта Europa Lander. В его рамках NASA планирует высадить на Европу аппарат, который изучит ее поверхность и, возможно, попробует достичь океана.
Недавно Китай объявил о том, что у него тоже есть планы по изучению ледяных спутников Юпитера. В частности, Поднебесная собирается запустить аппарат «Тяньвэнь-4», который должен будет выйти на орбиту вокруг Каллисто. Запуск этой миссии пока что запланирован на конец текущего десятилетия.
Интерес Китая к Каллисто можно понять. Хоть эта ледяная луна сейчас и не так на слуху, как та же Европа или Ганимед, именно она считается наиболее перспективным местом для создания потенциальной базы. Так что китайская миссия может стать первой ласточкой на пути к будущей колонизации спутников Юпитера.
