Twoja wyszukiwarka

JAROSŁAW WŁODARCZYK
...I WRESZCIE JOWISZ
Wiedza i Życie nr 2/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/1996

Po blisko sześcioletniej wędrówce i pokonaniu 3.7 mld km kosmicznej pustki, sonda Galileo osiągnęła swój cel: weszła na orbitę największej planety Układu Słonecznego - Jowisza.

Galileo i księżyce Jowisza

Gdy 7 grudnia 1995 roku w świat poszła wiadomość, że sondzie Galileo udało się z powodzeniem wykonać manewr wejścia na orbitę Jowisza, jeden z dyrektorów NASA powiedział: Teraz przez najbliższe dwa lata będę z niecierpliwością wertował gazety w poszukiwaniu wiadomości o tych wspaniałych odkryciach, które staną się udziałem ludzkości dzięki naszej agencji kosmicznej. Cóż, kliniczny przypadek amerykańskiego optymizmu mającego za pożywkę głód sukcesu. Ale tym razem wiara ta nie jest bezzasadna. W końcu najwspanialsze odkrycia dotyczące planet olbrzymów zawdzięczamy wysłanym przez NASA sondom Voyager, najgłośniejsze zaś niepowodzenie ostatnich lat agencja przeżyła podczas próby wprowadzenia na orbitę Marsa innej sondy - Mars Observer - w sierpniu 1993 roku. Jeśli dodać do tego jeszcze cierniową drogę, którą musiał przejść program Galileo...

PER ASPERA AD ASTRA

Pomysł misji do Jowisza i jego księżyców został przedstawiony NASA w 1976 roku przez zespół uczonych kierowany przez Jamesa A. Van Allena, jednego z pionierów badań kosmicznych, odkrywcy ziemskich pasów radiacyjnych. W roku 1977 Kongres Stanów Zjednoczonych przyznał fundusze, umożliwiające rozpoczęcie przygotowań do wysłania sondy, która: primo - stałaby się pierwszym sztucznym satelitą Jowisza; secundo - wysłałaby pierwszy zbudowany na Ziemi próbnik w głąb atmosfery planety olbrzyma.

Choć Jowisza dzieli od Ziemi niespełna miliard kilometrów, Galileo musiał pokonać blisko czterokrotnie dłuższą drogę, by dotrzeć do tej planety. Trajektorię sondy można porównać do rozwijającej się spirali; zakreślając ją, Galileo zyskiwał potrzebną do osiągnięcia Jowisza energię (tzw. grawitacyjnego kopniaka) podczas kolejnych przelotów obok Wenus (2 lutego 1990 roku; w odległości 16 tys. km) oraz Ziemi (8 grudnia 1990 roku; w odległości 1000 km i 8 grudnia 1992 roku; w odległości 300 km). Po drodze do planety olbrzyma sonda przeprowadziła kilka znaczących obserwacji i dokonała kilku ważnych odkryć: przekazała zdjęcia powierzchni Gaspry i Idy (okazało się przy tym, że wokół tej drugiej planetoidy krąży księżyc, nazwany Daktylem), wykonała portrety Ziemi i Księżyca "z kosmicznej perspektywy", sfotografowała bezpośrednio kolizję komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem...

Prace ruszyły w ostrym tempie, gdyż w grę wchodził jeszcze jeden rekord: program Galileo miał jako pierwszy w historii astronautyki wykorzystać do wysłania sondy międzyplanetarnej prom kosmiczny. Wprawdzie wyznaczony termin startu - styczeń 1982 roku - trzeba było odroczyć z powodu kłopotów z silnikiem sondy, jednak 4 lata później, w styczniu 1986 roku, znalazła się ona w Centrum Kosmicznym im. Kennedy'ego na przylądku Canaveral na Florydzie. Niestety, w tym samym miesiącu doszło do tragicznej katastrofy promu Challenger, podczas której zginęło siedmiu astronautów. Start sondy ponownie się opóźnił.

Eksplozja promu kosmicznego przekreśliła również ostatecznie pierwotny plan, według którego Galileo miał polecieć wprost do Jowisza, docierając tam w ciągu 2 lat i 8 miesięcy. Nowe normy - dotyczące bezpieczeństwa transportowanych ładunków - zezwalały na wyposażenie sondy jedynie w silnik o zbyt małej mocy, by mógł wypchnąć ją z orbity okołoziemskiej bezpośrednio ku Jowiszowi. W ten sposób, niejako pod przymusem, narodził się pomysł stopniowego rozpędzania sondy za pomocą pól grawitacyjnych Ziemi i Wenus. Trajektoria lotu do Jowisza zyskała spiralny kształt, czas podróży zaś wydłużył się dwukrotnie.

18 października 1989 roku sonda wychynęła z luku wahadłowca Atlantis i wyruszyła ku największej planecie Układu Słonecznego.

W pierwszej fazie lotu Galileo znajdował się na tyle blisko Słońca, że antena główna pozostawała złożona - promieniowanie słoneczne mogłoby jej zaszkodzić. Kiedy w kwietniu 1991 roku sonda zaczęła się oddalać od naszej gwiazdy, nadszedł czas na rozpostarcie parasola tej anteny. Operacja się jednak nie powiodła: nie wszystkie pręty stanowiące szkielet anteny się rozłożyły i silnik otwierający antenę przestał działać. Główny cel misji - przekazanie danych o Jowiszu i jego księżycach na Ziemię - stanął pod znakiem zapytania.

Galileo składał się z dwóch członów: sondy głównej, której zadanie polega na krążeniu wokół Jowisza, oraz próbnika atmosferycznego, który spełnił już swą misję, spłonąwszy 7 grudnia ub. r. w atmosferze planety. Podczas startu sonda ważyła 2.2 tony, z czego blisko tona przypadała na paliwo; jej wysokość wynosi 6.15 m. Próbnik miał masę 340 kg i rozmiary 86 cm. Krążąc po orbicie okołojowiszowej, Galileo wiruje wokół swej dłuższej osi, co nadaje sondzie stabilność i jednocześnie powoduje, że antena jest skierowana cały czas w tym samym kierunku (podobnie północny biegun Ziemi wskazuje nieustannie Gwiazdę Polarną) - ku Ziemi. Parasolowata czasza anteny głównej o średnicy 4.8 m otworzyła się tylko częściowo i nie może zostać wykorzystana do przekazywania danych

Próby uruchomienia anteny głównej ponawiano przez kilka następnych tygodni. Obracano na przykład statkiem tak, by na przemian nagrzewał się w promieniach Słońca i ochładzał; przypuszczano, że odpowiadające temu rozszerzanie się i kurczenie elementów anteny doprowadzi w końcu do jej otwarcia. Bez powodzenia. Później przyszedł czas na poszturchiwania: w grudniu 1992 i styczniu 1993 roku włączano i wyłączano 13 tysięcy razy silnik otwierający antenę. Rezultat ten sam, czyli żaden. Równie bezowocne okazały się inne próby. Zdecydowano ostatecznie, że antenę główną musi zastąpić antena pomocnicza.

Wysyłany przez antenę pomocniczą sygnał radiowy jest około 10 tysięcy razy słabszy od sygnału, który emitowałaby antena główna, dlatego dane z sondy muszą być przekazywane znacznie wolniej, by zapobiec przekłamaniom: transmisja poprzez antenę główną miała odbywać się w tempie 134.4 tysięcy bitów na sekundę, podczas gdy użycie anteny pomocniczej dopuszcza jedynie 8-16 bitów na sekundę. Po udanej operacji wymiany oprogramowania komputera pokładowego sondy (przeprowadzonej tuż przed przybyciem do Jowisza) zwiększono przepustowość do 160 bitów na sekundę - zgromadzone dane są najpierw poddawane kompresji, a dopiero później wyruszają w podróż ku Ziemi (fale radiowe potrzebują 40-50 minut, by pokonać odległość dzielącą naszą planetę od Jowisza).

Choć według powszechnie panującej opinii antenę główną należy już spisać na straty, ostatnia próba jej rozpostarcia zostanie podjęta w marcu br., kiedy Galileo włączy silniki, by wykonać manewr korygujący orbitę okołojowiszową. Statek zostanie wówczas poddany przyspieszeniu, jakiego nie doznał od chwili startu. Ciężkie jest życie sondy międzyplanetarnej.

SONDA, KTÓRA POTRAFI

Wędrując przez wewnętrzne obszary Układu Słonecznego, Galileo dokonał kilku spektakularnych odkryć. Najpierw, 29 października 1991 roku, jako pierwszy statek kosmiczny w historii ziemskiej astronautyki, zbliżył się do planetoidy - była to Gaspra - jednego z tysięcy drobnych ciał niebieskich krążących wokół Słońca między orbitami Marsa i Jowisza. Mijając Gasprę w odległości 1600 km, sonda wykonała 57 zdjęć powierzchni tego ciała niebieskiego, przypominającego ziemniak o wymiarach 18.2 x 10.5 x 8.9 km; najostrzejsze ze zdjęć ukazywały szczegóły powierzchni o średnicy 54 m (Triumf Galileusza, "WiŻ" nr 4/92, "Sygnały", "WiŻ" nr 12/93). Magnetometr Galileo stwierdził także obecność pola magnetycznego planetoidy, co było wielką niespodzianką dla astronomów. Nie spodziewano się raczej, że tak drobne ciało niebieskie może mieć pole magnetyczne na wzór planet ("Sygnały", "WiŻ" nr 9/93).

Zgodnie z planem 7 grudnia ub. r. próbnik atmosferyczny, który odłączył się od sondy Galileo pięć miesięcy wcześniej 13 lipca, wdarł się w atmosferę Jowisza z prędkością 171 tysięcy km/h. Próbnikowi udało się nawiązać łączność radiową z sondą, która w tym samym czasie dotarła do Jowisza, i zanim spłonął przekazywał przez 57 minut pierwsze w historii badań planetarnych, bezpośrednie dane o atmosferze planety: jej składzie chemicznym, panujących tam warunkach i ruchach mas gazów. Na początku br. komplet danych zgromadzonych na taśmie magnetycznej na pokładzie sondy zostanie przetransmitowany na Ziemię. U góry: artystyczna wizja wejścia próbnika w atmosferę Jowisza; na drugim planie widać sondę Galileo. Z prawej: czy dane zgomadzone przez skazany na zagładę próbnik potwierdzą teoretyczne modele budowy atmosfery Jowisza?

Podczas dwóch przelotów w pobliżu Ziemi Galileo przeprowadził badania Księżyca, obfotografowując słabo znane jego obszary, m.in. północny biegun Srebrnego Globu. Spojrzał również na naszą planetę z punktu widzenia automatycznej sondy kosmicznej, co zaowocowało odkryciem oznak świadczących o istnieniu życia na Ziemi ("Sygnały", "WiŻ" nr 3/93 i 3/94).

Spotkanie z drugą planetoidą - Idą - do którego doszło 28 sierpnia 1993 roku, także obfitowało w niespodzianki. Na zdjęciach wykonanych z odległości 2400 km pojawił się bowiem naturalny satelita Idy - pierwszy znany księżyc planetoidy. Daktyl, bo takie otrzymał imię, ma średnicę około 1.5 km i utrzymuje się na orbicie oddalonej około 100 km od środka nieregularnej Idy, której największa "średnica" sięga 55 km ("Sygnały", "WiŻ" nr 12/93, 6/94 i 11/94).

W lipcu 1994 roku instrumenty sondy jako jedyne mogły zarejestrować bezpośrednio moment zderzenia się komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem. 22 lipca, znajdując się w odległości 238 mln km od planety, Galileo wykonał serię zdjęć, które uwieczniły spadek fragmentów komety i towarzyszącą temu eksplozję ("Sygnały", "WiŻ" nr 12/94).

Rok później, latem 1995, sonda znalazła się w centrum potężnej burzy międzyplanetarnej: zanurzyła się w obłoku cząsteczek pyłu, które najprawdopodobniej trafiły do przestrzeni kosmicznej z systemu Jowisza; być może znalazły się tam, wyrzucone przez wulkany jowiszowego księżyca Io. Pył poruszał się z prędkością 40-200 km/s i miał gęstość, jakiej nigdy dotąd nie zarejestrowały w przestrzeni międzyplanetarnej instrumenty wykonane ludzką ręką.

13 lipca 1995 roku, gdy do celu podróży pozostało już "tylko" 80 mln km, od sondy odłączył się próbnik atmosferyczny, który zaczął spadać swobodnie ku Jowiszowi. 7 grudnia próbnik zagłębił się w atmosferę planety z prędkością 171 tysięcy km/h (czyli 47 km/s) - największą, z jaką kiedykolwiek poruszał się obiekt wykonany przez człowieka. Sonda, która także dotarła tego dnia do Jowisza, zaczęła rejestrować dane dostarczane przez instrumenty próbnika...

JOWISZ PEŁEN TAJEMNIC

Odkąd sondy Pioneer i Voyager ukazały nam w kolorach świat planet olbrzymów i ich księżyców, tylko kwestią czasu stało się podjęcie intensywnych badań tych ciał niebieskich za pomocą wyspecjalizowanych sond kosmicznych. Planetologów pociągała niezwykłość Jowisza - planety, która skupia w sobie dwie trzecie materii Układu Słonecznego, nie licząc, oczywiście, Słońca - oraz systemu jego naturalnych satelitów, stanowiącego miniaturę naszego układu planetarnego.

Spotkanie sondy Galileo z Jowiszem zostało tak pomyślane, że gdyby nawet manewr wejścia na orbitę okołojowiszową się nie powiódł, pewne obserwacje - m. in. księżyców: Tebe, Io, Adrasteja i Europa - zostałyby wykonane. Na szczęście 7 grudnia ub. r. silniki nie zawiodły i podczas 49 minut swego działania spowodowały, że sonda stała się satelitą Jowisza. W latach 1996-1997 Galileo okrąży planetę 11 razy, zbliżając się kilkakrotnie do czterech największych księżyców Jowisza: Io, Europy, Ganimedesa i Kallisto (Wg "Sky & Telescope" nr 12/1995)

Jowisz właściwie pod każdym względem różni się od Ziemi: to olbrzymia kula gazowa (89% wodoru i 10% helu), której masa niemal 320 razy przewyższa masę naszej planety, średnica zaś jest ponad jedenastokrotnie większa od ziemskiej średnicy. Mimo tak potężnych rozmiarów, Jowisz wiruje w zawrotnym tempie, dokonując pełnego obrotu wokół swej osi w ciągu niespełna 10 godzin. Na co dzień obserwujemy zewnętrzne warstwy atmosfery planety, targane huraganami, z których największy - Wielka Czerwona Plama - utrzymuje się już co najmniej od ponad 100 lat. Pod tymi warstwami skrywają się niezbadane głębie, w których panują kilkutysięczne temperatury i wysokie ciśnienie, a wodór zamienia się w ciecz, przyjmując w końcu postać metaliczną. W samym środku Jowisza powinno tkwić jądro uformowane z płynnych skał. Astronomowie żywią głęboką nadzieję, że kompleksowe badania tej planety pozwolą w znacznym stopniu uzupełnić naszą wiedzę dotyczącą powstawania i ewolucji Układu Słonecznego.

Zbadanie górnych warstw atmosfery - przekładańca kryształków czystego amoniaku, jego wodorosiarczku oraz skroplonej pary wodnej - było głównym zadaniem próbnika atmosferycznego Galileo. Ponieważ jednak zaraz po operacji wejścia próbnika w atmosferę między Jowiszem i Ziemią znajdowało się Słońce, transmisję danych - pierwszych bezpośrednich informacji o składzie chemicznym, budowie i warunkach panujących w atmosferze planety olbrzyma - odroczono do początku br. Gdy powstawał ten artykuł, wciąż jeszcze jej oczekiwaliśmy.

Równie intrygujący jak sama planeta jest świat jej szesnastu naturalnych satelitów, w którym prym wiodą cztery największe księżyce, odkryte w 1610 roku przez Galileusza: Io (oddalony od Jowisza o 422 tys. km, o promieniu 1815 km), Europa (671 tys. km, 1569 km), Ganimedes (1070 tys. km, 2631 km) i Kallisto (1883 tys. km, 2400 km). Dzięki zdjęciom przesłanym przez sondy Voyager i badaniom prowadzonym z Ziemi wiemy co nieco o tych ciałach. Wulkaniczny Io, na przykład, okazał się najaktywniejszym geologicznie ciałem Układu Słonecznego. Powierzchnia Ganimedesa jest pokryta kraterami podobnymi do tych, które zdobią Srebrny Glob, ale inne cechy wskazują, że niegdyś księżycowi temu nieobca była tektonika płyt w ziemskim stylu. Podejrzewa się też, że Kallisto to zlepek - w proporcjach pół na pół - wodnego lodu i skał. Równie niezwykłe wrażenie sprawia popękana lodowa powierzchnia Europy.

Podczas dwuletniego pobytu na orbicie okołojowiszowej Galileo poświęci wiele czasu księżycom Jowisza, zbliżając się dziesięciokrotnie do trzech największych (tabela na stronie poprzedniej). Wcześniej, wchodząc na orbitę wokół Jowisza 7 grudnia ub. r., sonda przemknęła obok Io. Badania naturalnych satelitów Jowisza (także mniejszych, na przykład Adrastei, Tebe i Prometeusza) obejmą: wykonanie dokładnych zdjęć ich powierzchni, pomiary ich pól grawitacyjnych i magnetycznych, studiowanie atmosfer i zebranie informacji o tym, w jaki sposób księżyce oddziałują z potężną magnetosferą Jowisza.

Albowiem Jowisz ma najsilniejsze pole magnetyczne ze znanych nam planet. Obszar, w którym wywiera ono znaczący wpływ na elektrony, protony i jony cięższych pierwiastków (na przykład tlenu i siarki), to magnetosfera - również największa wśród planet Układu Słonecznego. Śledzenie, w jaki sposób magnetosfera Jowisza oddziałuje z wiatrem słonecznym oraz co dzieje się w jej wnętrzu (jak wielkie prądy elektryczne w niej płyną, jakie rodzaje fal elektromagnetychnych występują), pozwoli astronomom zgłębić tajemnicę planetarnego magnetyzmu - jednej z największych i najtrudniejszych zagadek planetologii.

Według ustalonych priorytetów, pierwszeństwo w przekazywaniu danych zgromadzonych podczas misji Galileo - via antena pomocnicza - będą miały następujące informacje:

- 100% danych uzyskanych przez próbnik atmosferyczny;

- wyniki niemal bezustannego, dwuletniego monitorowania magnetosfery Jowisza;

- około 1500 zdjęć księżyców galileuszowych, czterech mniejszych księżyców Jowisza i systemu jego pierścieni (bo i pierścienie ma ta planeta, choć znacznie skromniejsze niż Saturn);

- dane zgromadzone podczas wszystkich bliskich spotkań z Europą, Kallisto i Ganimedesem;

- informacje zebrane w ciągu pięciu spotkań z księżycami galileuszowymi z odległości kilkudziesięciu tysięcy kilometrów.

Jedno jest pewne. Niezależnie od tego, jak się potoczą dalsze losy sondy Galileo, już dziś autorzy sukcesu tej misji, przygotowując się do jej podsumowania, mają prawo sięgnąć po cytat, którym Owidiusz kończy swe Metamorfozy: Dokonałem już dzieła, którego nie zdoła zniszczyć ani gniew Jowisza, ani ogień, ani miecz, ani trawiący wszystko czas. (przekład Stanisława Stabryły)

GALILEO I KSIĘŻYCE JOWISZA

Księżyc Data zbliżenia Odległość od powierzchni
Ganimedes 4 VII 1996 500 km
Ganimedes 6 IX 1996 259 km
Kallisto 4 XI 1996 1102 km
Europa 19 XII 1996 693 km
Europa 20 II 1997 587 km
Ganimedes 5 IV 1997 3056 km
Ganimedes 7 V 1997 1580 km
Kallisto 25 VI 1997 416 km
Kallisto 17 IX 1997 524 km
Europa 6 XI 1997 1124 km

Do początku artykułu...