Один астроном якось сказав, що Сонячна система складається із Сонця, Юпітера та «купки всякого мотлоху». Звичайно, цю фразу не варто сприймати надто серйозно, бо кожна планета по-своєму унікальна і ступінь її «цікавості» ніяк не пов’язана з розмірами. Проте вона наочно демонструє одну просту річ: Юпітер справді величезний. Це найбільша планета, чия маса в 2,5 рази перевищує масу решти всіх семи планет разом узятих. Тому її з повним правом можна називати королем Сонячної системи.
У цьому матеріалі ми розберемо, як людство досліджувало Юпітер і поговоримо про плани щодо його вивчення у найближчому майбутньому.
Зірки Медічі та швидкість світла
Юпітер є одним із найяскравіших об’єктів на нічному небі. Тож він був добре відомий античним астрономам, які докладно описали 12-річний цикл його руху. Вважається, що китайський зодіак з’явився саме завдяки цьому. У деяких літописах також зустрічаються згадки невеликої зірочки, що супроводжувала Юпітер. Цілком можливо, що комусь із спостерігачів минулого з особливо гострим зором вдалося розглянути його найбільший супутник Ганімед.
Питання, хто першим глянув на Юпітер в телескоп, є дискусійними. Свого часу Галілео Галілей та Симон Марій заперечували пальму першості у цьому досягненні. Зараз вважається, що першим все ж таки був Галілей, у той час як Марій провів свої спостереження буквально наступного дня після італійського астронома. Але в будь-якому випадку, саме Галілей розповів усьому світу про те, що планета має чотирьох компаньйонів. Італійський астроном пропонував назвати їх зірками Медічі, щоби вшанувати свого фінансового покровителя тосканського герцога Медічі. Але за іронією долі, за ними закріпилися імена, які запропонував Симон Марій: Іо, Європа, Ганімед і Каллісто.
Поява потужніших телескопів поступово дозволило астрономам дізнатися більше про Юпітера. З’ясувалося, що планета вкрита хмарними поясами, що обертаються навколо неї з різною швидкістю. У 1665 році Джованні Кассіні побачив на Юпітері характерну червону освіту. Багато вчених вважають, що це було перше спостереження Великої Червоної плями – гігантського атмосферного вихору, який існує вже як мінімум кілька століть.
Спостереження супутників Юпітера дозволили зробити інше знаменне відкриття. У 1671 року данський астроном Оле Ремер виявив, що становище не збігається з обчисленими ним параметрами, причому величина відхилення залежала від відстані до Землі. На підставі цих спостережень Ремер зробив висновок про кінцівку швидкості світла і потім оцінив її 220 000 км/с. Попри те, що ця цифра приблизно на чверть нижче за справжнє значення (300 000 км/с), це все одно був величезний науковий прорив для того часу.
Згодом астрономам вдалося визначити масу та розміри Юпітера. З’ясувалося, що це найбільша планета Сонячної системи. Наразі ми знаємо, що діаметр Юпітера становить 140 тисяч км. Це одинадцять більше, ніж діаметр нашої планети. Що ж до маси, вона перевищує масу Землі в 318 раз. Для порівняння, маса Сатурна (друга за розмірами планета Сонячної системи) перевершує масу Землі лише у 95 разів.
У міру накопичення наукових знань астрономи поступово зрозуміли, що Юпітер радикально відрізняється від кам’яних тіл на кшталт Землі або Марса. Планета являє собою газовий гігант, що більш ніж на 90% складається з водню та гелію. У Юпітера немає твердої поверхні. У міру занурення в його надра тиск збільшується настільки, що гази спочатку починають поводитися як рідина, а потім і як тверда речовина.
У зв’язку з величезними розмірами Юпітера існує досить популярний міф, що він є «зіркою», якої зовсім не вистачило маси, щоб усередині неї запустилися термоядерні реакції. Але це не так. Щоб стати невдалою зіркою (коричневим карликом), маса Юпітера повинна як мінімум у 12 разів перевищувати нинішню. Це дуже велика розбіжність, щоб серйозно говорити про таку можливість.
Одне з найважливіших відкриттів пов’язаних з Юпітером було зроблено в 1955 році, коли з’ясувалося, що він є дуже активним джерелом радіовипромінювання, поступаючись цим показником лише Сонцю. Це з вже згаданими особливостями внутрішньої будови планети. Через надзвичайно високий тиск у його надрах, водень набуває властивостей металу. Виниклі в ньому потужні електроструми породжують дуже потужне магнітне поле, яке є джерелом радіоімпульсів.
Польоти космічних саперів
Хоча на початок космічної ери астрономи і зуміли визначити основні характеристики Юпітера, звичайно ж, їм хотілося дізнатися набагато більше. Особливо їх цікавили відповіді на питання про те, як сформувалася планета, якою є її внутрішня будова і що саме відбувається в її атмосфері. Окремий інтерес представляло супутникове сімейство Юпітера. На той момент інформація про нього була вкрай мізерна, але вже було відомо, що найбільші супутники за розмірами можна порівняти з Меркурієм.
NASA розпочала розробку проєкту першої юпітеріанської місії у другій половині 1960-х. Конструктори зіткнулися з низкою серйозних викликів, ключовими з яких були енергопостачання апарату та забезпечення з ним сталого зв’язку. Ще однією важливою проблемою була безпека. По-перше, на той момент було невідомо, наскільки більшою небезпекою для космічних апаратів є пояс астероїдів. По-друге, вчені мали досить невиразні уявлення про потужність радіаційних поясів планети.
Через це NASA прийняла рішення спочатку відправити до Юпітера пару щодо простих зондів, які виконали б роль космічних «саперів» і перевірили безпеку маршруту для подальших складніших і дорогих місій. Вони отримали назву Pioneer 10 та Pioneer 11.
Pioneer 10 був запущений у березні 1972 року. У липні того ж року він став першим в історії космічним апаратом, який увійшов до Головного поясу астероїдів. Встановлені на борту зонда прилади не зафіксували помітного збільшення кількості частинок проти околиць Землі. У лютому 1973 Pioneer 10 успішно завершив проходження пояса, довівши його безпеку для космічної навігації.
Pioneer 10 здійснив проліт Юпітера у грудні 1973 року. Апарат зібрав дані про склад атмосфери газового гіганта, уточнив масу, виміряв напруженість магнітного поля. З’ясувалося, що тепловий потік, що виходить від Юпітера, в 2,5 раза перевищує енергію, одержувану планетою від Сонця. Вважається, що це відбувається через його гравітаційне стискування.
Одну з головних сенсацій піднесли радіаційні пояси планети, потужність яких перевершила всі очікування вчених. Pioneer 10 зазнав доз опромінення, що в десять тисяч разів перевершували потужність радіаційних поясів Землі. Через величезний рівень радіації апаратура зонда почала генерувати помилкові команди, зв’язок кілька разів переривався, було втрачено частину знімків. Але все ж таки, Pioneer 10 вдалося вціліти.
Через рік, на околиці Юпітера відвідав Pioneer 11, який підтвердив основні висновки свого попередника. Пізніше, на основі зібраних ним даних, інженери NASA вибудували безпечну траєкторію польоту до Юпітера для пари складніших і найдорожчих апаратів, які отримали назву Voyager.
Велика подорож Voyager
Проєкт Voyager базувався на зробленому у 1960-ті роки відкритті. Тоді з’ясувалося, що наприкінці 1970-х усі чотири планети-гіганти Сонячної системи вишикуються в гігантську дугу, що відбувається лише раз на 175 років. Це давало унікальну можливість дослідити їх «одним заходом». І Юпітер був першим пунктом у цій великій подорожі.
Місія Voyager розпочалася у 1977 році. Через два роки пара зондів досягла найбільшої планети Сонячної системи. Відкриття не змусили на себе довго чекати. Виявилося, що Юпітер має кільця. На відміну від знаменитих кілець Сатурна дуже тьмяні і переважно складаються з пилу.
Апарати в деталях спостерігали динаміку атмосферних процесів Юпітера. Вперше вдалося отримати докладні знімки Великої червоної плями. На момент візиту зондів його діаметр становив 21 тисячу км, що майже вдвічі більше за діаметр Землі.
Також зонди виявили три раніше невідомі супутники Юпітера і зробили детальні знімки чотирьох відкритих Галілеєм місяців. З’ясувалося, що Ганімед є найбільшим супутником у Сонячній системі (він навіть більше Меркурія) і має власне магнітне поле, а Європа має гладку крижану поверхню, вкриту тріщинами. Зроблені зондами знімки стали відправною точкою у припущенні, що під її поверхнею може ховатися океан.
Але головною сенсацією став Іо, де знайшли діючі вулкани. Зараз це відкриття може здатися не таким і значним. Але треба враховувати історичний контекст. До 1970-х років у багатьох астрономів склалося уявлення про Сонячну систему, як про статичне місце, де крім Землі немає геологічно активних світів. Йо показала повну помилковість цієї думки. На поверхні супутника є сотні вулканів, які безперервно вивергаються постійно змінюючи його ландшафт. Протяжність їхніх лавових потоків може сягати сотень кілометрів. Також на супутнику є цілі озера, заповнені розплавленою сіркою.
Не дивно, що виявлення вулканів Іо зараз вважається багатьма найважливішою з усіх знахідок, зроблених апаратами Voyager за роки їхньої грандіозної подорожі.
Проблемний Galileo
Pioneer і Voyager вивчали Юпітер з прогонової траєкторії. За всієї важливості своїх місій, вони фізично не могли затриматися на околицях газового гіганта на жодну зайву хвилину. Щоб продовжити відкривати таємниці планети, вченим потрібно було вивести апарат на постійну орбіту на газового гіганта.
Це завдання було покладено на місію Galileo. Вона складалася з однойменного орбітального апарату, а також атмосферного зонда, що планувалося скинути на Юпітер. Спочатку NASA збиралася запустити Galileo наприкінці 1986 року. Але потім сталася катастрофа шатла Challenger. Через неї запуск Galileo довелося відкласти на чотири роки. Це перенесення не найкраще позначилося на подальшій долі місії.
Річ у тім, що для запуску Galileo спочатку планувалося використовувати новий розгінний блок Centaur G. Він був здатний забезпечити прямий переліт космічного апарату до Юпітера без гравітаційних маневрів. Але після загибелі Challenger у NASA вважали надто ризикованим брати цей розгінний блок на борт шатла. В результаті, фахівцям довелося використати менш потужний розгінний блок, який вже не був спроможний безпосередньо відправити Galileo до Юпітера. Тому вони розробили новий маршрут польоту, що включав виконання гравітаційного маневру, що раніше не планувався, у Венери для розгону.
Це викликало непередбачену проблему. Оскільки основна антена апарата не була розрахована на вплив високих температур, було вирішено не розгортати її, доки зонд не відійде на безпечну відстань від Сонця. До цього моменту Galileo використав малопотужну допоміжну антену. І ось коли апарат нарешті почав розгортання основної антени, її заклинило і вона так і не змогла розкритися. У результаті протягом усієї своєї наступної місії йому доводилося підтримувати зв’язок виключно через допоміжну антену. Через її малу потужність, Galileo передав набагато менше даних, ніж якби його основна антена зберегла працездатність.
Хай там як, Galileo досяг Юпітера у 1995 році. Під час його перельоту сталася сенсаційна подія: газовий гігант зіткнувся з фрагментами комети Шумейкерів-Леві 9. На жаль, Galileo не зміг побачити бомбардування планети, оскільки уламки впали на протилежному від нього боці Юпітера. Але він зафіксував найпотужніші атмосферні обурення та згодом сфотографував місця падіння комети.
Після того, як Galileo вийшов на орбіту навколо Юпітера, від нього відокремився зонд. Він увійшов в атмосферу планети в грудні 1995 року і в результаті зумів зануритися в глибину приблизно в 150 км, після чого його розчавило величезним тиском. Як це часто буває в науці, передані зондом дані багато в чому не співпали з очікуваннями, заснованими на моделях атмосфери Юпітера, що існували тоді. Наприклад, земному посланцю не вдалося виявити передбачуваного шару водяної пари. Юпітеріанські хмари виявилися тоншими, а грозова активність менша за очікувану. А ось швидкість вітрів значно перевищила прогнози. Зонду вдалося зафіксувати пориви, що сягали 550 км/год.
Щодо самого Galileo, то він вивчав Юпітер до 2003 року. Через проблеми з антеною апарат передав значно менше даних, ніж того хотілося б вченим. Тим не менш, Galieo вдалося зробити низку важливих відкриттів. Серед них можна виділити виявлення аміачних хмар на Юпітері, виявлення глобальної структури та динаміки його магнітосфери та визначення процесу формування кілець планети.
Крім того, Galileo підтвердив існування магнітосфери Ганімеда та отримав докази того, що під поверхнею Європи розташований гігантський океан рідкої води. Подальший аналіз його даних вказав на те, що аналогічні океани також можуть ховатися в надрах Ганімеда та Каллісто.
Місія Galileo була завершена у 2003 році. Щоб виключити ймовірність майбутнього зіткнення апарату із супутниками планети та забруднення їхньої поверхні земними організмами, апарат був навмисно спрямований на Юпітер, після чого згорів у його атмосфері.
Варто зазначити, що оскільки Юпітер є найпотужнішою планетою Сонячної системи, NASA кілька разів використовувала його гравітацію як безкоштовну заправку: для розгону місій, що прямують у дальні куточки Сонячної системи. У 1990-2000-ті цією можливістю скористалися місії Cassini і New Horizons. А зонд Ulysses використовував гравітацію Юпітера, щоб змінити спосіб своєї орбіти і вийти з площини екліптики. Це дозволило йому провести перші історії дослідження полярних регіонів Сонця.
Juno та майбутні юпітеріанські місії
Незважаючи на всі технічні проблеми, місія Galileo загалом виявилася досить успішною. Проте деякі таємниці короля Сонячної системи і залишилися нерозкритими. І одна з них була пов’язана з її внутрішньою будовою. Річ у тому, що вчені мали дві основні версії формування планети. За однією з них, спочатку Юпітер був твердим об’єктом, який потім акреціював речовину з протопланетного диска, наростивши свою масу. Інша планета сформувалася в результаті прямого колапсу протопланетного диска. У першому випадку Юпітер повинен мати компактне кам’яне ядро. У другому його може бути.
Щоб дізнатися, який із цих двох сценаріїв відповідає дійсності, у 2011 році NASA запустила нову місію, яка отримала назву Juno. Крім вивчення внутрішньої будови планети, на неї також було покладено завдання дослідження її гравітаційного та магнітного поля.
Juno досяг Юпітера у 2016 році. Знов не обійшлося без деяких проблем. Через збій у роботі основного двигуна апарат не зумів вийти заплановану орбіту. Проте це не завадило йому провести заплановані виміри. І знову їх результати здивували вчених. Виявилося, що у Юпітера є ядро — і при цьому воно значно більше і містить більше важких елементів, ніж очікувалося. Існує версія, що у всьому винне катастрофічне зіткнення, що сталося на зорі Сонячної системи. Комп’ютерне моделювання показує, що новонароджений Юпітер міг зіткнутися з об’єктом, маса якого складала близько 10 мас Землі. Такий удар призвів би до повного руйнування початкового ядра газового гіганта та перемішування його з речовиною загиблої протопланети. Цей сценарій може пояснити, чому ядро Юпітера таке «розпухле».
Juno також уперше в історії сфотографував полюси Юпітера. А не розрахункова орбіта апарату згодом відкрила перед ним додаткові можливості. Після того, як NASA кілька разів продовжувала термін служби Juno, виявилося, що в майбутньому він зможе здійснити низку близьких прольотів кількох великих супутників Юпітера. У 2021 році апарат здійснив візит до Ганімеда. За ним був близький проліт Європи в 2022 році. Цього року настала черга Іо. Juno досі перебуває у строю. Очікується, що апарат зможе продовжувати роботу щонайменше до 2025 року.
На початку наступного десятиліття до Юпітера прибудуть одразу дві місії: європейська JUICE та американська Europa Clipper. Щоправда, їх основною метою стане не сама планета, а її крижані супутники, під поверхнями яких ховаються гігантські океани. Нині вчені вважають, що саме вони є одними з найперспективніших місць для пошуку життя в Сонячній системі.
JUICE був запущений цього року і має досягти Юпітера влітку 2030 року. План польоту передбачає, що він здійснить низку близьких прольотів Європи, Ганімеда та Каллісто. Наприкінці своєї місії JUICE вийде на постійну орбіту навколо Ганімеда і здійснить посадку на його поверхню.
Europa Clipper буде запущений наступного року і також досягне Юпітера у 2030 році. Його основною метою стане Європа. Europa Clipper має виконати серію близьких прольотів супутника. Якщо апарату вдасться знайти якісь ознаки проживання його океану, це напевно прискорить реалізацію проєкту Europa Lander. У його рамках NASA планує висадити на Європу апарат, який вивчить її поверхню та, можливо, спробує досягти океану.
Нещодавно Китай оголосив про те, що він теж має плани з вивчення крижаних супутників Юпітера. Зокрема, Піднебесна має намір запустити апарат «Тяньвень-4», який має вийти на орбіту навколо Каллісто. Запуск цієї місії поки що заплановано на кінець поточного десятиліття.
Інтерес Китаю до Каллісто можна зрозуміти. Хоч цей крижаний місяць зараз і не так на слуху, як той самий Європа чи Ганімед, саме він вважається найбільш перспективним місцем для створення потенційної бази. Отже, китайська місія може стати першою ластівкою на шляху до майбутньої колонізації супутників Юпітера.
