اسراری که فضاپیمای جونو از سیاره مشتری به ارمغان آورد

هسته ای عظیم و سخت با الگویی نامشخص و شبیه به توپ پشمالو، قلب بزرگترین سیاره منظومه شمسی را تشکیل داده است و گردبادهایی عظیم و آشوبناک، قطب های آن را به تسخیر خود درآورده اند. این توصیف بر اساس یافته هایی است که فضاپیمای جونو (Juno) طی قریب به دو سال گردش به دور سیاره مشتری گردآوری کرده است.

اگر بخواهیم یافته های جونو را در یک کلام خلاصه کنیم، باید گفت که نه ساختار داخلی و نه سطح خارجی سیاره مشتری، شبیه به آنچه اخترشناسان تصور می کردند، نیستند. در این مقاله شما می توانید با یافته های فضاپیمای جونو از سیاره مشتری آشنا شوید.

تابستان 2016 وقتی فضاپیمای جونو سفر پنج ساله خود را به پایان برد و پس از پشت سر گذاشتن مسیری به طول 2.8 میلیارد کیلومتر در فضای داخلی منظومه شمسی به سیاره مشتری رسید، خطرناک ترین بخش ماموریت خود را آغاز کرد. فضاپیما با سرعت 350 هزار کیلومتر بر ساعت به مشتری نزدیک می شد و باید به سرعت ترمز می گرفت تا بتواند در مدار مشتری قرار بگیرد. موتورهای ترمزی به خوبی عمل کردند و جونو وارد مداری بیضوی به دور مشتری شد که حضیض مداری آن (نزدیکترین نقطه مدار از مشتری) تنها 4200 کیلومتر با ابرهای فوقانی این سیاره فاصله داشت.

در این مسیر، جونو از کمربند تشعشعی این سیاره هم گذشت که پس از مجاورت خورشید، خطرناک ترین ناحیه در سراسر منظومه شمسی است، زیرا شدت تشعشعات آن 10 هزار بار قوی تر از کمربند تشعشعی زمین (کمربند ون آلن) است و با وجود همه تدابیر ایمنی لحاظ شده در طراحی و ساخت جونو، باز این احتمال وجود داشت که ذرات پُر انرژی این منطقه، ابزارهای الکترونیکی را از کار بیندازند.

جونو که آگوست 2011 از پایگاه فضایی کندی در کیپ کاناورال فلوریدا به فضا پرتاب شد، بخشی از بزرگترین برنامه تحقیقاتی ناسا به نام نیوفرانتیرز (به معنی مرزهای جدید) است. هدف این فضاپیما، بررسی ساختار پنهان زیر ابرهای ضخیم مشتری و آشکارسازی ترکیبات سازنده این سیاره است. اطلاعاتی که این فضاپیما طی بیست و چند ماه گذشته به زمین فرستاده، دانش ما را از بزرگترین سیاره منظومه شمسی متحول کرده و نشان داده است که نه ساختار داخلی و نه لایه های خارجی آن شبیه به آنچه انتظارش را داشتیم، نیست.

انرژی خورشیدی در تاریکی

سیاره مشتری یکی از پنج سیاره ای است که از روزگاران کهن برای بشر شناخته شده بود و پس از سیاره ناهید، درخشان ترین آنها در آسمان شب است. پس از آغاز عصر فضا، 5 فضاپیما توانسته اند تصاویر با کیفیتی را طی ملاقات های نسبتاً نزدیک با آن تهیه کنند و چشم انداز ابرهای متلاطمی را که در لایه های مختلف جو این سیاره پیچ و تاب می خورند، به نمایش درآورند. اما هیچ یک از آنها به اندازه جونو به این غول گازی خطرناک نزدیک نشده اند.

مهندسان ناسا برای ساخت جونو، 10 سال به سختی کار کردند و در نهایت به سریع ترین فضاپیمای تاریخ (البته تاکنون) دست پیدا کردند. موتور اصلی این فضاپیما، از نوع موتورهای موشک است و تنها در شرایط اضطراری برای افزایش یا کاهش سرعت روشن می شود. جونو همچنین اولین فضاپیمایی است که برای فعالیت در چنین مسافت دوری از سلول های خورشیدی بهره می برد.

سه پنل سلول های خورشیدی که هر یک 9 متر طول دارند و در مجموع 18,698 سلول خورشیدی را در خود جای داده اند، جایگزین راکتور گرما هسته ای رادیوایزوتوپی شده اند که پیش از این برای تامین نیروی فضاپیماهایی که از کمربند سیارک ها فراتر می رفتند، مورد استفاده قرار می گرفت.

در مدار مشتری، تابش خورشید به کمتر از 4 درصد آفتاب زمین افت می کند و در این تاریکی، سلول های خورشیدی عظیم جونو حدود 400 وات انرژی الکتریکی تامین می کنند.

برای رازگشایی از ویژگی های مشتری، جونو به مجموعه کاملی از ابزارهای علمی مجهز شده است. ابزار رادیومتر، آنتن ریزموجی است که با بررسی امواج ریزموج (ماکروویو) برآمده از درون سیاره، تا صدها کیلومتر زیر ابرهای فوقانی مشتری را می بیند. ابزار گرانش سنج، ژرفای بیشتری را بررسی می کند تا بتواند ترکیب مواد سازنده مشتری را تعیین کند. ابزار مغناطیس سنج، شدت و جهت میدان مغناطیسی به شدت قدرتمند مشتری را می سنجد و سه ابزار دیگر به بررسی شفق های قطبی در این سیاره می پردازند. در هر گردش مداری، دوربین میدان دید باز هم تصاویری رنگی از ابرهای جو فوقانی مشتری و قطب های آن تهیه می کند.

شفق های قطبی در مشتری

اخترشناسان تصور می کردند شفق های قطبی مشتری در پدیده ای مشابه شفق های قطبی زمین شکل می گیرند. اما این پدیده های تابناک عظیم ریشه در تلاطمات جوی دارند. شفق های قطبی مشتری، پدیده هایی دائمی هستند که قوی ترین نمونه در سراسر منظومه شمسی هستند.

اخترشناسان تا سال ها تصور می کردند که این شفق های قطبی شبیه به پدیده های مشابه در زمین ایجاد می شوند: زمانی که ذرات پُر انرژی خورشید سوار بر بادها و طوفان های خورشیدی با میدان مغناطیسی قدرتمند این سیاره برخورد می کنند، به سمت قطب های مغناطیسی منحرف می شوند و در اطراف قطب های این سیاره هم با مولکول های جو برخورد می کنند. اما اینطور نیست. نورهای قطبی مشتری حاصل تلاطمات میدان مغناطیسی هستند، پدیده ای که در زمین به شکل گیری نورهایی ضعیف منتهی می شود.

راز تفاوت شدت شفق های قطبی تلاطمی مشتری و زمین در اختلاف پتانسیل الکتریکی نهفته است که در مشتری، بین 10 تا 30 برابر بزرگتر از زمین است.

هسته متفاوت

مشتری از هر نظر، بزرگترین جرم منظومه شمسی پس از خورشید است. این سیاره به تنهایی بیش از دو برابر مجموع دیگر اجرام کوچکتر منظومه شمسی جرم دارد و 1321 سیاره مانند زمین را در خود جا می دهد. اخترشناسان با توجه به مشاهدات پیشین می دانستند که جو این سیاره تا هزار کیلومتر پایین تر از ابرهای مرتفع آن ادامه دارد. زیر آن، لایه ای فشرده (چگال) از گاز هیدروژن باردار قرار گرفته و پس از آن، اقیانوسی از هیدروژن مایع واقع شده است. در اعماق پایین تر، دما و فشار بقدری افزایش پیدا می کند که بر اساس شبیه سازی های کامپیوتری، هیدروژن به مایعی فلزی تبدیل می شود و این ساختار تا خود هسته ادامه پیدا می کند.

با این حال، اخترشناسان در مورد ساختار و ویژگی های هسته مشتری نظر یکسانی نداشتند. مدل های کلاسیک شکل گیری سیارات، پیش بینی می کردند که در مرکز مشتری، هسته ای کوچک از جنس آهن و سنگ وجود دارد که اندازه آن بزرگتر از زمین نیست. مدلی دیگر پیش بینی می کرد که مشتری در مرکز خود هسته ای ندارد، زیرا عناصر سنگین تر تحت تاثیر فشار و دمای بسیار بالای آن ناحیه درون هیدروژن فلزی مایع حل شده اند. اما جونو ساختار متفاوتی را کشف کرد.

جرم درون مشتری به شکلی نامتقارن توزیع شده و اثر خود را در میدان گرانشی قدرتمند این سیاره نشان می دهد. تغییرات جزئی در شدت میدان گرانشی بر مدار جونو تاثیر می گذارد و سبب می شود این فضاپیما اندکی لنگ بزند. با اندازه گیری این حرکت های جزئی، اخترشناسان توانسته اند ترکیب مواد درون سیاره را برآورد کنند و به این نتیجه برسند که هسته مشتری تا 25 برابر سنگین تر از زمین است. هسته مانند زمین، کره خوش تعریف و مشخصی نیست و ساختاری نامتقارن با مرزهای در حال انحلال دارد.

باران آمونیاک

اما هسته عجیب، بزرگترین شگفتی مشتری نیست. پیش از پرتاب جونو، اخترشناسان باور داشتند که جو این سیاره دارای مقادیر متنابهی آب است، چرا که بیش از 4.5 میلیارد سال پیش و در زمان شکل گیری این سیاره، مشتری بواسطه جرم عظیم خود توانسته بود دنباله دارهای فراوانی را که از یخ آب تشکیل شده بودند، به خود جذب و با حل تدریجی آنها درون خود، آب فراوانی را ذخیره کند.

اما اندازه گیری های جونو نشان داد هر چند مقادیر زیادی از آب در جو مشتری دیده می شود، اما مولکول غالب در آن، آمونیاک است، آن هم با فراوانی دست کم 10 برابر بیشتر از آب. از ابرهای مرتفع مشتری بلورهای آمونیاک می بارند که با نفوذ درون جو و افزایش فشار و دما، تبخیر می شوند. مشاهدات جونو همچنین نشان داد که سیستم بادها در مشتری شبیه به زمین است، به این ترتیب که هوای گرم در اطراف استوا به بالا صعود می کند و به سوی قطب های خنک تر می وزد. به همین ترتیب، بخارهای غلیظ آمونیاک هم در اطراف استوا به بالا صعود می کنند و به سوی قطب ها می روند.

مرگ انتحاری

از جولای 2016 که جونو به مدار مشتری وارد شد، این فضاپیما مشتری را در مدارهای 53 روزه دور می زند. طبق برنامه قبلی قرار بود که در اکتبر 2016، موتور اصلی فضاپیما به مدت 34 ثانیه روشن شود تا از سرعت جونو بکاهد و آن را در مداری نزدیکتر و کمتر کشیده تر به دور مشتری قرار دهد که هر 14 روز، آن را به سطح سیاره نزدیک کند؛ اما اتفاقی در زمین، سرنوشت دیگری برای جونو رقم زد.

در سپتامبر 2016، ارتش ایالات متحده دو ماهواره را به خاطر نقص فنی در موتورهایشان از دست داد. جونو هم به موتور مشابهی مجهز شده بود، در نتیجه مدیران ناسا در برابر این پرسش قرار گرفتند که آیا ممکن است نقص مشابهی هم برای موتور جونو اتفاق بیفتد و این فضاپیمای گران قیمت درون مداری به دردنخور تزریق شود یا بدتر از آن به درون مشتری سقوط کند؟ در نهایت تصمیم بر این شد که موتور، خاموش باقی بماند و جونو در همان مدار کشیده 53 روزه به فعالیت های علمی خود را ادامه دهد. به این ترتیب، جونو به جای 37 گردشی که قرار بود تا فوریه 2018 انجام دهد، فقط 12 گردش را انجام داد و در بهترین حالت می توانست به یک سوم توانایی های خود دست پیدا کند.

خوشبختانه با گذشت دو سال از گردش به دور مشتری، وضعیت فضاپیما، ابزارها و پنل های خورشیدی جونو به لطف استانداردهای سختگیرانه در ساخت آن، به اندازه کافی رضایت بخش بود که ناسا تصمیم بگیرد ماموریت جونو را تا جولای 2021 تمدید کند. به این ترتیب، جونو می تواند گردش های مداری بیشتری را به دور مشتری انجام دهد و به اهداف پژوهشی بیشتری دست یابد.

در نهایت، آخرین بخش ماموریت جونو همانند گالیلئو و کاسینی، شیرجه به درون جو سیاره هدف خواهد بود. مهم ترین هدف از این مانور، پیشگیری از آلوده شدن قمرهای یوروپا و گانیمد با میکروب های احتمالی همراه جونو است. یوروپا و گانیمد، دو قمر مهم از 4 قمر گالیله ای مشتری هستند که زیر سطح آنها، اقیانوسی از آب مایع وجود دارد.

بررسی توده های فوران یافته از یخ فشان های یوروپا نشان می دهد که این قمر هم مانند انسلادوس (قمر زحل)، شرایط مساعدی برای میزبانی از حیات میکروبی دارد. از آنجایی که جونو فاقد استانداردهای استریل ابزارها و عاری بودن از هر نوع حیات احتمالی است، احتمالی هر قدر ضعیف وجود دارد که اگر این فضاپیما در مدار مشتری باقی بماند، در نهایت گذرش به یوروپا یا گانیمد بیفتد و با آلوده کردن آن قمر به حیات زمینی، میکروارگانیسم های احتمالی موجود در آن را با خطر نابودی مواجه کند. به همین دلیل و برای پیشگیری از هر فاجعه احتمالی، این فضاپیما به درون جو متلاطم مشتری شیرجه خواهد رفت تا در آن بسوزد و از بین برود. در حین این شیرجه، ابزارهای جونو برای آخرین بار، اطلاعاتی از ویژگی های لایه های مختلف جو این سیاره به زمین مخابره خواهند کرد تا اخترشناسان بتوانند به مدل های بهتری از شکل گیری و تحول سیارات گازی دست پیدا کنند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «اسراری که فضاپیمای جونو از سیاره مشتری به ارمغان آورد»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله مرضیه رستمی در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.