Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 25 (vyšlo 28. července, ročník 15 (2017)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Juno poodhaluje pravou tvář Jupiteru II

Jiří Hofman

Sonda Juno, která dostala jméno podle manželky římského boha Jupitera schopné prokouknout oblaka zahalující manželovy nepravosti, již přes rok obíhá svůj cíl – největší planetu Sluneční soustavy. V předchozím díle jsme si popsali misi jako celek, včetně průběhu letu sondy. Dnes se podíváme podrobněji na vybavení sondy.

Postavičky letící na palubě k Jupiteru

Postavičky letící na palubě k Jupiteru. Zdroj: NASA/JPL/Caltech/LEGO

A začneme, řekněme, zbytečnostmi. Sonda sebou nese tři asi čtyřcentimetrové sošky inspirované LEGO postavičkami – Galilea Galileie, římského boha Jupitera a jeho ženu Juno. Postavičky mají podpořit zájem dětí o vědu, techniku, inženýrství a matematiku. Součástí sondy je také plaketa věnovaná Galileu Galileiovi od Italské kosmické agenturyASI – Agenzia Spaziale Italiana, Italská kosmická agentura. Byla založena v roce 1988, hlavním cílem je koordinování aktivit Itálie ve vesmíru. Agentura má zástupce v radě Evropské kosmické agentury. o rozměrech 71×51 milimetru a hmotnosti 6 g. Je na ní Galileiův autoportrét a kopie textu, který napsal při pozorování JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×1027 kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. v roce 1610. A teď již k podstatnému vybavení.

Plaketa Galilea Galileie

Plaketa Galilea Galileie NASA/JPL/Caltech/KSC

Přístroje

Přístroje na palubě

Přístroje na palubě. Zdroj: NASA/JPL/Caltech

MWR (Microwave radiometer)

Sonda před testy vyvážení. Čtyři bílé čtverce jsou antény radiometru. Pátá, trychtýřová je vedle nejmenšího z nich na horní stěně. Poslední, největší je na odvrácené stěně. Před solárním panelem vpravo je rameno magnetometru. Spodní stěně dominuje hlavní motor. Červené krabičky jsou moduly orientačních motorků.  NASA/Kim ShiflettMWR (Microwave radiometer) je mikrovlnný radiometr pracující na šesti frekvencích: 600 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz, 4,8 GHz, 9,6 GHz a 22 GHz. Největší anténa (pole flíčkových anténFlíčková anténa – Patch Antenna, anténa s několika plošnými vodivými prvky nanesenými na nevodivý substrát. Jednotlivé prvky jsou nejčastěji obdélníky, mohou mít ale i tvar obecnějších plošek (flíčků). Jednotlivé plošky jsou vodivě propojeny. Této anténě se také (zejména při pravoúhlém tvaru plošek) říká mikropásková anténa.) pro pásmo 600 MHz zabírá celou jednu stěnu šestiboké sondy, další čtyři (opět pole flíčkových antén pro 1,2 GHz a vlnovodové štěrbinové řady pro 2,4 až 9,6 GHz) jsou umístěny na stěně druhé – vždy mezi stěnami se solárními panely. Poslední, malá trychtýřová anténa pro pásmo 22 GHz, je umístěna na horní stěně sondy a míří stejným směrem jako čtyři předchozí. Účelem tohoto zařízení je sledovat jevy hluboko v atmosféře Jupiteru. Každá z antén zachycuje tepelné mikrovlnné záření. Pečlivým vážením signálů z nich lze pozorovat teplotní a chemický profil atmosféry až do hloubky 550 kilometrů, kde působí tlak asi 1 000 barů. Půjde tak zjistit, jak hluboko do atmosféry Jupiteru zasahují struktury, které pozorujeme v jejích horních vrstvách. MWR by měl vydržet měřit 11 oběhů. Přístroj dodala americká Jet Propulsion Laboratory (NASA). 

JIRAM (Jovian InfraRed Auroral Mapper)

JIRAM na stole.   Agenzia Spaziale ITA, Leonardo and Thales Alenia Space JIRAM (Jovian InfraRed Auroral Mapper) sestává z infračerveného dalekohledu a spektrometru a má za úkol proměřovat horní vrstvy atmosféry, zhruba v hloubce 50 až 70 km pod vrcholky oblaků. Je citlivý na infračervené záření v pásmu od 2 do 5 μm. Sleduje hlavně H3+ ionty, a dokáže tak zjistit pohyby vodních oblaků v atmosféře. Kromě vody umí zjistit i přítomnost metanu, čpavku nebo fosfanu. Blokové schéma JIRAMu. ASI/IFSI. Na vlnové délce 3,4 μm dokáže pozorovat záření polárních září a na 5 μm i horké skvrny na Jupiteru. V optice přístroje je zakomponováno otáčivé zrcadlo, které umožňuje při rotaci sondy potřebnou dobu expozice. Světlo je přístroji rozděleno do dvou ohnisek. V jednom je infračervená kamera pracující v pásmech 3,3 až 3,6 μm a 4,55 až 5,05 μm. CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. detektor má rozlišení 432 na 128 pixelů a jeho zorné pole je velké 3,66 na 6,24 stupňů. V druhém ohnisku je umístěn spektrometr. Jeho mřížka je velká 60×32 mm a má 30,2 vrypů na mm. Samotný detektor spektrometru má 256×336 pixelů, a umožňuje tak v pásmu 2,0 až 5,0 μm rozlišení 9 nm. Zorné pole spektrometru je 3,5×0,014 stupně. Díky tomu dokáže analyzovat objekty v horních vrstvách atmosféry až s přesností 1 km.

K sondě je JIRAM přichycen třemi dvojnožkami. Teplotu si přístroj řídí sám dvěma výměníky. JIRAM byl zkalibrován při sledování Měsíce během průletu sondy okolo Země. Je navržen pracovat nejméně do oběhu číslo 8, podle požadavků totiž není odolný vůči radiaci. Autorem zařízení je Italský národní ústav pro astrofyziku.

MAG (Magnetometer) 

Rameno magneotmetru na konci solárního panelu. Čtyři trychtýře patří k ASC. Magnetické indukční senzory jsou čtverce nad horním (od sondy vzdálenějším) ASC a pod dolním ASC. Magnetometr MAG vytváří podrobnou trojrozměrnou mapu magnetického pole Jupiteru. Jeho rameno dlouhé 3,6 metru je umístěno na konci jednoho ze solárních panelů. Sestává ze dvou magnetických indukčních senzorů, které měří směr magnetického pole a tříosého skalárního heliového magnetometru, který měří velikost magnetického pole. Magnetické indukční senzory jsou umístěny 9,8 a 11,8 metrů a heliový magnetometr 8,8 metrů od těla sondy. Dva magnetické indukční senzory vzájemně otočené o 180 stupňů umožňují odečíst pole generované samotnou sondou. Magnetometr vzorkuje magnetické pole šedesátkrát za sekundu. Přesnou orientaci MAGu v prostoru zajišťuje dvojice hvězdných kompasů ASC (Advanced Stellar Compass). Díky MAGu bude Jupiterovo magnetické pole nejlépe proměřené ze všech planet kromě Země. Poprvé měřil MAG již při průletu sondy okolo Země. Magnetometry se vždy umisťují na ramenech, aby měřily magnetické plole co možná nejdále od sondy. Tím určují rozměry celé sondy. Magnetometr vyrobilo Goddardovo kosmické středisko (NASA).

GS (Gravity Science)

Instalace vysokoziskové antény. NASA/Jack Pfaller. GS (Gravity Science) je radiotechnický experiment, při kterém se velmi přesně měří zrychlení sondy způsobené místními anomáliemi Jupiterova gravitačního pole. Experiment využívá hlavní komunikační anténu namířenou k Zemi. Při měření přijímá a vysílá na frekvencích v pásmech X (7153,065586, resp. 8 404,135 802 MHz) a Ka (34 365,5, resp. 32 083,3 MHz). Změny rychlosti sondy vůči Zemi se měří využitím Dopplerova jevuDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze.. Pozemská stanice dokáže také zjistit velmi přesně vzdálenost sondy od Země. Vyšle signál k sondě v pásmu Ka, sonda odpoví v pásmu X a při známých podmínkách lze měřit vzdálenost sondy s přesností až 1 m! Tato měření bohužel nelze provádět zároveň s radiometrickým, protože vyžaduje jinou orientaci sondy (při radiometrickém měření je rovina solárních panelů kolmá k „povrchu“ planety, při proměřování gravitačního pole je kolmá ke směru k Zemi.) Jediná stanice Deep Space NetworkDSN – Deep Space Network. Jde o mezinárodní komunikační síť antén sloužící podpoře meziplanetárních letů a radioastronomických pozorování. Síť začala budovat NASA a dnes ji tvoří tři sedmdesátimetrové antény umístěné na Zemi v přibližných rozestupech 120°: Goldstone (poušť Mojave v Kalifornii), v blízkosti Madridu (Španělsko) a v blízkosti Canberry (Austrálie). schopná vysílat k sondě signál v pásmu Ka leží v kalifornském Goldstonu.

JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment)

Senzory JADE. Čtenář snadno rozpozná JADE-E od JADE-I.  NASA/SwRI. JADE (Jovian Auroral Distributions Experiment) využívá tří analyzérů elektronů (JADE-E) a jednoho hmotnostního spekrometru iontů (JADE-I). Cílem experimentu je prostudovat částice a procesy v polárních zářích Jupiteru. Detektory elektronů jsou umístěné na horní stěně sondy, vždy mezi solárními panely. Hmotnostní spektrometr iontů je přichycen vedle jednoho z detektorů elektronů. JADE-E zaznamenávají elektrony o energiích 0,1 až 100 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K., JADE-I pak ionty o energiích od 5 eV do 50 keV a hmotnostech do 40 atomových hmotnostních jednotek. Každý analyzér elektronů má zorné pole 120×90 stupňů. JADE-I detekuje ionty ze zorného pole 270 krát 90 stupňů. JADE-E nezjistí jen energii zachyceného elektronu, ale i směr, odkud přiletěl. JADE připravili na texaském Southwest Research InstituteSwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů..

JEDI (Jovian Energetic Particle Detector Instrument)

Jeden ze tří senzorů JEDI.  NASA/JHU. JEDI (Jovian Energetic Particle Detector Instrument) je doplňkovým přístrojem k JADE. Detekuje elektrony, protony, ionty a neutrální atomy o vyšších energiích, elektrony od 25 do 1 000 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a ionty od 10 keV do 10 MeV. Sestává ze tří téměř stejných detektorů se zorným polem 12×160 stupňů. Umístění senzorů JADE a JEDI na horní stěně sondy.  NASA/SwRI/JHU. Dva z nich jsou umístěny na sondě proti sobě, kolmo na osu rotace. Během jednoho otočení tak pokryjí celý prostor kolem sondy. Třetí, mírně odlišný senzor, je umístěn rovnoběžně s osou rotace sondy a sleduje prostor nad sondou. Detektory pracují ve třech módech, které se postupně vystřídají během 0,5 s – měření energií elektronů, měření energií iontů a zjišťování druhů iontů. Přístroj dokáže zaznamenat až 30 000 částic za sekundu. JEDI nemá v ochranné schránce žádnou další elektroniku. Veškerou svou elektroniku proto před pronikavým zářením musí detektory odstínit samy. Velmi podobné detektory jsou také na Van Allenových sondách pracujících na oběžné dráze okolo Země a na sondě New Horizons. Přístroj byl postaven v Applied Physics Laboratory na Univerzitě Johnse Hopkinse.

Waves (Radio and Plasma Wave Sensor)

Dipólová anténa a indukční magnetometr.  NASA/JPL.Waves (Radio and Plasma Wave Sensor) měří složky elektrického a magnetického pole plazmových vln a volně se šířící radiové vlny. Dipólová anténa ve tvaru V měří elektrické pole v rozsahu frekvencí 50 Hz až 40 MHz. Ramena antény jsou dlouhá 2,8 m a jejich konce jsou od sebe vzdálené 4 m. Anténa trčí šikmo do prostoru na spodní straně sondy. Indukční magnetometr s 10 000 závity a 15cm jádrem naopak měří magnetickou složku v pásmu od 50 Hz do 20 kHz. Umístěn je na spodní straně, paralelně s osou rotace sondy. Nízkofrekvenční (50 Hz až 20 kHz) přijímač tohoto přístroje v jednom svém kanálu monitoruje fluktuace napětí na sběrnici sondy, aby je bylo možno odečíst od signálu měřeném v druhém kanálu. Třetí kanál pokrývá pásmo 10 až 150 kHz a nevyužívá tedy signál z magnetometru. Dva vysokofrekvenční přijímače pak umí nejen analyzovat signál v pásmu od 100 kHz do 40 MHz, ale i zjistit spektrum vysokofrekvenčního signálu proměřením všech 1MHz pásem v rozsahu od 3 do 40 MHz. Při příletu k Jupiteru přístroj Waves zaznamenal jak rázovou vlnu při vstupu do magnetosféry planety, tak následně i magnetopauzu. Přístroj vyvinula Iowská univerzita.

UVS (Ultraviolet Spectrograph)

Nahoře: přístroj UVS. Dole: Schéma optiky. NASA/SwRI.UVS (Ultraviolet Spectrograph) je dalekohled a spektrograf pracující v rozsahu od 68 do 210 nm, tedy tvrdého ultrafialového záření. Hlavním úkolem tohoto přístroje je pozorování polárních září a také vysvětlení záblesků záření vycházejících z polárních oblastí planety s periodou 45 minut. Rozsah byl zvolen tak, aby spektrograf mohl sledovat všechny důležité emisní čáry vodíku a absorpční čáry uhlovodíků, které vznikají v polárních zářích. Vstupní clona dalekohledu je čtvercová, o rozměrech 40×40 mm. Dalekohled má podobně jako JIRAM první zrcadlo hladké, ale pohyblivé v rozsahu ±30 stupňů od osy kolmé na osu rotace sondy, aby se přístroj mohl při nízkých průletech zaměřovat na jednotlivé detaily. Hlavní parabolické zrcadlo je vyosené s ohniskovou vzdáleností 120 mm. Obě zrcadla jsou pokryta vrstvičkami hliníku a fluoridu hořečnatého, aby co nejlépe odrážela záření o vlnové délce větší než 100 nm. Samotný spektrograf je Rowlandův kruh o průměru 150 mm. Na jeho vstupu se UV záření rozdělí do tří polí. Dohromady je pak zorné pole, respektive zorná úsečka dlouhá 2 stupně a široká pouhých 0,05 stupně. CsI fotokatody tvoří pole 2048×256 pixelů. Spektrální rozlišení tak dosahuje 0,4 až 0,6 nm a prostorové 0,1 stupně, což ze vzdálenosti jednoho poloměru Jupiteru odpovídá 125 km. UVS využívá při pozorování otáčení sondy, takže obsáhne velkou část okolí sondy, 360×60 stupňů. Stejně jako JADE, pochází i UVS z texaského Southwest Research InstituteSwRI – Southwest Research Institute, komplex vědeckých ústavů ve Spojených státech, který byl založen v roce 1947. Jde o jeden z nejstarších nevýdělečných ústavů v USA. Téměř 2 800 zaměstnanců provádí výzkum v řadě oblastí (od aplikované fyziky, přes chemii, inženýrství, až po kosmické lety). Ředitelství se nachází v texaském San Antoniu, roční obrat byl v roce 2014 přes půl miliardy dolarů. s přispěním belgického CSL/BELSPO.

JCM (JunoCam)

Téměř obyčejný fotoaparát JunoCam. MSSS.JCM (JunoCam) je asi divácky nejvděčnější přístroj, ale k vědeckému poznání nejspíše přispívá nejméně. Při pořizování snímků se musí kamera vypořádat s rotací sondy. Dokáže to pomocí metody časového zpoždění a integrace (TDI), která se používá pro fotografování slabých pohybujících se objektů. CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá. čip má rozměry 11,84×8,88 mm s rozlišením 1 600×1 200 pixelů. V kameře se přepíná mezi třemi standardními filtry pro viditelné světlo – modrým (420 až 520 nm), zeleným (500 až 600 nm) a červeným/infračerveným (600 až 800 nm) a speciálními filtrem pro 890nm záření, v němž svítí metan. Standardní filtry mají zorné pole široké 4,64×58 stupňů, speciální filtr pak 10,2×58 stupňů. Typické expoziční doby jsou pro standardní filry 12,5 μs a speciální filtr 0,5 s. Ohnisková vzdálenost kamery je 11,7 mm. Při průletu perijovemPericentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejblíže. Pro Slunce se používá výraz perihélium, pro Zemi perigeum, pro Měsíc periluna, pro Jupiter perijovum, pro Saturn perikronum a pro hvězdu periastrum. zvládne fotoaparát pořídit snímky až s rozlišením 15 km na pixel. Při letu nad póly se do zorného pole zhruba vejde celý Jupiter. Pro pozorování z apojovaApocentrum – bod na eliptické dráze kolem centrálního tělesa, který je tomuto tělesu nejdále. Pro Slunce se používá výraz afélium, pro Zemi apogeum, pro Měsíc apoluna, pro Jupiter apojovum, pro Saturn apokronum a pro hvězdu apoastrum. nebo snímkování měsíců Jupiteru je tato kamera nevhodná. Sonda posílá obrázky ve formátu JPEG a poradí si jak se ztrátovou, tak bezeztrátovou verzí. NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. nemá tým pro zpracování dat z tohoto přístroje. Místo toho data dává k dispozici veřejnosti. Od toho si slibuje nové, neotřelé postupy při zpracování obrázků a samozřejmě širokou popularizaci její práce. JunoCam by neměla selhat alespoň do oběhu 8, přestože její elektronika je umístěna mimo ochrannou schránku. Kamera je podobná té, která pořizovala snímky Marsu při sestupu vozítka Curiosity na Mars (MARDI) a také byla objednána od kalifornské firmy Malin Space Science Systems.

A video na závěr

Přístroje na sondě Juno. Zdroj: NASA.

V posledním díle se zaměříme na detailní popis práce sondy u Jupiteru
a povíme si něco málo o již uskutečněných objevech.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage