Juno saavuttaa Jupiterin

Taiteilijan näkemys Juno-luotaimesta Jupiteria kiertävällä
radalla. Energiansa luotain saa pitkistä aurinkokennoista.
Kuva NASA.

Nasan Jupiteriin matkalla ollut Juno-luotain saavuttaa määränpäänsä tiistaiaamuna Suomen aikaa. Luotain laukaistiin matkaan elokuun 5 päivänä vuonna 2011 ja se on siitä lähtien matkannut kohti Jupiteria.

Junon on tarkoitus käydä jokaisella kierroksellaan Jupiterin ympäri vain 5 000 km etäisyydellä planeetan pilvipeitteestä. Tämä tarkoittaa sitä, että luotaimeen kohdistuu ennennäkemätön säteilykuormitus, joka voisi vaurioittaa tutkimuslaitteistot hyvin lyhyessä ajassa. Tämän vuoksi kaikki laitteistot on suojattu vahvalla (~13 mm) titaani^[1]-kuorella.

Junon tutkimusinstrumentit on suunniteltu tekemään havaintoja Jupiterin pilvikerroksen alaisista rakenteista. Erityisesti Jupiterin ytimen rakenne kiinnostaa tutkijoita. Ytimen arvellaan olevan noin 10–20-kertainen maapallon massaan verrattuna, jonka lämpötila on useita tuhansia asteita. Jupiterin ytimeen kohdistuu korkea paine, joten ytimen olomuotoa ei tunneta. Se voi olla joko kiinteä tai sitten sulassa tilassa.

Luonnollisesti Juno on varustettu Jupiterin magneettikenttää havainnoivilla laitteilla. Ne on sijoitettu pitkän puomin päähän, mahdollisimman etäälle luotaimen massiivisesta (noin 200 kg) metallikuoresta. Jupiterin magneettikenttä on noin 20 000 -kertaa voimakkaampi kuin maapallon magneettikenttä ja se ulottuu noin 100 Jupiterin säteen etäisyydelle^[2] Auringon puolella.

Jupiteria ympäröivä säteilyvyöhykkeen voimakkuudelle on kaksi osatekijää: ensimmäinen on voimakas magneettikenttä, joka vangitsee runsaasti aurinkotuulen hiukkasia. Toisena tekijän on se, että hiukkasten määrä kasvaa myös Io-kuusta vapautuvista kaasumaisista hiukkasista (pääosin rikkiä ja rikkidioksidia).  Jupiterin magneettikentässä hiukkaset ionisoituvat, saavat lisäenergiaa (nopeutta) ja saavuttavat lähes valon nopeuden.

Jupiterin yksi mielenkiintoisimmista ilmiöistä ovat planeetan magneettisien napojen ympäristössä esiintyvät revontulet. Ne säteilevät valoaan lähinnä uv-valon aallonpituudella ja niissä on pistemäisiä kirkastumia. Kirkastumat ovat aiheutuneet kuiden ja Jupiterin välillä kulkevista sähkövirroista, joista Ion ja Jupiterin välillä olevat ovat voimakkaimpia.

Juno aloittamasta jarrutuspoltosta vastaanotetaan lyhyt radiosignaali kello 6.18 Suomen aikaa tiistaiaamuna. Signaali ja jarrutuspoltto ovat käynnistyneet jo 48 minuuttia aikaisemmin, mutta radioviestiltä kuluu aikaa Jupiterista Maahan kulkemiseen aikaeron verran. Itse jarrutuspoltto kestää 35 minuuttia, jonka jälkeen luotain lähettää uuden merkkisignaalin polton onnistumisesta.

Ensimmäisen jarrutuspolton jälkeen luotain on erittäin soikealla radalla (kiertoaika 53,5 vuorokautta) jota muutetaan vähitellen tutkimuskäyttöön sopivaksi radaksi. Luotaimen rata Jupiterin ympäri tulee olemaan soikea, yhteen kierrokseen kuluu aikaa noin 14 vuorokautta. Suunniteltu rata saavutetaan lokakuun 19 päivänä.  Juno kiertää Jupiterin 37 kertaa ja sen tehtävä päättyy vuoden 2018 helmikuussa. Tehtävän päätyttyä Juno poistetaan kiertoradalta ohjaamalla se Jupiteriin.

Huomautukset

[1] Titaani (Ti) on siirtymäryhmän metalli, jolla on erittäin suuri lujuus. Titaania yleensä käytetään metallirakenteissa, joissa vaaditaan suurta lujuutta mutta rakenteiden oma massa täytyy olla mahdollisimman pieni. Tyypillisesti titaania käytetään lentokone- ja avaruusteollisuudessa sekä pieniä määriä lääketieteessä etenkin kirurgisissa tukirakenteissa esimerkiksi luunmurtumien hoidossa.

[2] Maapallon magneettikenttä ulottuu vain noin 10 Maan säteen etäisyydelle.

Pimeän aineen arvoitus syvenee

Pimeän aineen massiivisimmat keskittymät
on galaksien ympäristöissä. Uusimpien oletusten
mukaan pimeää ainetta voisi olla jopa
renkaana maapallon ympäristössä.
Kuva Nasa.

Nykyisen käsityksen mukaan pimeää ainetta on vähintään nelinkertainen määrä näkyvään aineeseen verrattuna. Mitä pimeä aine on, sitä emme vielä tiedä, mutta sen on todettu muodostavan laajoja pilviä galaksien ympäristöön. Jonkin verran pimeää ainetta on arveltu olevan myös galaksien sisäisessä avaruudessa ja jopa jonkin verran tähdissä. Pimeän aineen tiheys ei kuitenkaan ole pidetty niin suurena, että sen gravitaatiovaikutukset näkyisivät yksittäisissä tähdissä tai planeettakunnissa.

Nyt käsitys näyttäisi olevan uudistamisen tarpeessa. Tutkija Steve Adler (Institute of Advanced Studies in Princeton, New Jersey) julkaisi vuonna 2009 tutkimuksen[1], jonka mukaan pimeä aine voisi olla se tuntematon tekijä, joka kiihdyttää tai hidastaa satunnaisesti maapallon ohilentojen tekevien aurinkokuntaluotainten ratanopeutta[2]. Tutkimuksen mukaan pienen mittakaavan keskittymissä (tähtien ympäristöissä) pimeän aineen tiheys pitäisi olla suurempi kuin galaksiavaruudessa ja planeettojen ympäristössä vielä suurempi kuin tähtien ympäristöissä.

Ben Harris (University of Texas at Arlington) kiinnostui tutkimaan sitä, vaikuttaisiko pimeän aineen keskittyminen maapallon ympäristöön myös satelliittien ja ohilentoja suorittavien luotainten ratanopeuksiin. Hänen mielenkiintonsa kohteena oli erityisesti paikannussatelliitit (GPS, GLONASS ja Galileo), joiden radoista hän kokosi tietoja yhdeksän kuukauden ajalta. Hän laski maapallon massan kunkin satelliitin ratatietojen perusteella. 

Tulos oli mielenkiintoinen; maapallon massa näytti olevan 0,005–0,008 % suurempi kuin IAUn virallinen arvo. Lisäksi pimeä aine näyttäisi muodostavan kiekon maapallon ekvaattoritasolle: kiekon paksuus olisi noin 191 km ja halkaisija noin 70 000 km. Tulos on alustava, sillä siihen ei vielä ole otettu huomioon kaikkia mahdollisia (häiritseviä) tekijöitä. Asiaa tutkittiin myös Nasan Juno-luotaimen[3] tehdessä ohilennon viime lokakuussa[4]. Tulosten mukaan Juno ohitti maapallon kuten ennakoitiin.

Jos Harrisin ajatus olisi oikea, niin pimeän aineen olemassa oloa voitaisiin tutkia satelliittien tarkkojen ratatietojen avulla. Erityisesti voitaisiin tutkia sitä, miten pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään? Kysymys on oleellinen, sillä ilman keskinäistä vuorovaikutusta pimeän aineen hiukkaset vajoaisivat galaksien ytimiin, tähtiin ja planeettoihin. Näin ei selvästikään ole, joten jonkinlainen vuorovaikutusmekanismi täytyy olla olemassa. Tämä saattaa myös merkitä sitä, että pimeä aine koostuu useita eri hiukkastyypeistä ja useista erilaisista vuorovaikutusmekanismeista[5].

Huomautukset

[1] Can theflyby anomaly be attributed to earth-bound dark matter?

[2] ESA etsii kosmista anomaliaa

[3] Juno on Nasan Jupiterin järjestelmää havainnoimaan lähetetty luotain, joka laukaistiin pitkälle matkalleen 5. elokuuta 2011.

[4] Juno suojatilaan ohilennon aikana

[5] James Bullock (University of California, Irvine)

Juno suojatilaan ohilennon aikana

Ohilento Intian valtemeren yli.
Kuva ESA.

Nasan Juno-luotain ohitti suunnitellusti maapallon myöhään  keskiviikkoiltana Suomen aikaa. Ohitus tapahtui Intian valtameren yläpuolella noin 561 km korkeudella. Ohilennon aikana Juno joutui kuitenkin suojatilaan siinä vaiheessa hieman ennen kuin se tuli ESAn Perth’issä sijaitsevan maa-aseman horisontin yläpuolelle.

Suojatila ei sinällään ole mikään katastrofi, vaan nimenomaan luotaimen tietokoneen määrittelemän tila, jossa se ja havaintolaitteet sietävät vikojen esiintymistä. Suojatilan aikana tietokone lähettää signaalia alentuneella datanopeudella, mutta tietokone silti pysyy toiminnassa. 

Toistaiseksi syytä suojatilaan siirtymiselle ei ole ilmoitettu. Vaihtoehtoa on kuitenkin useita alkaen kosmisen säteilyn aiheuttamasta väliaikaisesta häiriöstä päätyen laitevikaan. Suojatilaan siirtyminen on voinut tapahtua myös ohjelmistovirheestä. Laitevikaa lukuun ottamatta vian korjaaminen pitäisi onnistua suhteellisen helposti.

Suojatilaan siirtymisen jälkeen luotaimen elektroniset laitteet tarkistetaan ennalta suunnitellun tarkistusohjelman mukaisesti. Jos kaikki laitteet toimivat, suojatilasta palataan normaaliin toimintaan tarkistusohjelman suorittamisen jälkeen. Avaruudessa olevat satelliitti ja luotaimet päätyvät suojatilaan huomattavan usein, joten sitä on pidettävä aivan normaalina toimintana.

Juno teki ohilentonsa aikana runsaasti mittauksia ja otti valokuvia maapallon lähiavaruudesta. Ensimmäiset kuvat ja datatiedostot pitäisi olla tätä kirjoitettaessa (perjantaiaamuna) radioituna Maahan. Milloin kuvia sitten julkaistaan, riippuu siitä kuinka paljon USA:n julkisen sektorin sulkeminen toimintoja haitta. Ainakin Nasa on suljettuna.

Aivan ilman kuvia ei meidän tarvitse olla, sillä Paul Cox niminen harrastaja onnistui Kanarian saarilla olevalla etäohjattavalla kaukoputkella valokuvaamaan himmeän luotaimen. Hän julkaisi kuvista tehdyn videon netissä. Se löytyy osoitte1sta

http://tinyurl.com/l2y55h5

http://tinyurl.com/moa7vsu

joista jälkimmäinen on tiedostokooltaan pienempi. Videossa näkyy luotaimen liike tähtitaivaalla.

ESA etsii kosmista anomaliaa

Taiteilijan näkemys Junon
ohilennosta. Kuva ESA.

Tänään kello 22.21 Suomen aikaa Jupiteriin matkalla oleva Juno-luotain singahtaa maapallon ohi noin 561 km korkeudelta. Ohilennon tarkoituksena on lisätä luotaimen matkavauhtia maapallon luovuttaman energian avulla. Lisävauhdin ansiosta Juno pääsee perille Jupiterin järjestelmään vuonna 2016.

Linkoratamenetelmää on käytetty usein planeettakuntaan suunnattujen luotainten matkan vauhdittamiseen, tai hidastamiseen jos on tarkoitus matkustaa Venukseen tai Merkuriukseen. Sopivalla ratajärjestelyllä Maan ja luotaimen välillä tapahtuu energiansiirtoa ja näin säästetään polttoaineessa merkittävästi ja se voidaan käyttää hyväksi lisäämällä luotaimiin havaintoinstrumentteja. Kustannuksena on sitten lisääntynyt matka-aika, mutta se ei välttämättä ole kovinkaan suuri uhraus, sillä laitteistoja voidaan testata ohilentojen aikana.

Junon rata vie sen Intian valtameren
yli vain 561 km korkeudelta.
Kuva ESA.

Ohilentoihin liittyy silloin tällöin esiintyvä ilmiö, josta raketti-insinöörit ovat ihmeissään. Ohilentävä luotain on saanut joko hieman liika tai liian vähän matkavauhtia. Erot laskettuun vauhdin muutokseen eivät ole olleet suuren suuria, vain muutama millimetri per sekunti, mutta muutos on ennakoimaton; joskus se esiintyy ja joskus taas ei.

ESA havaitsi anomalian esiintymisen vuonna 2005 kun komeettaluotain Rosetta ohitti Maan. Sen sijaan seuraavilla ohituskerroilla vuosina 2007 ja 2011 ilmiötä ei havaittu. Nasa havaitsi anomalian Jupiter-luotaimen matkavauhdin muutoksessa vuonna 1990. Vauhti lisääntyi 3,9 mm/s enemmän kuin olisi pitänyt.

Suurin todettu anomalia on 13,0 mm/s Nasan NEAR -luotaimen ohilennolla tammikuussa 1998, kun taas Cassini ohilennolla vuonna 1999 ja Messenger-luotaimen ohilennolla vuonna 2005 anomaliaa ei havaittu lainkaan. Insinöörit ovat syystäkin ihmeissään.

Junon ohilentoa seurataan ESAn maa-asemilla 35 m antenneilla Malarüe’ssa (Argentiinassa) ja 15 m antennilla Perth’issä (Australia) alkaen kello 19 Suomen aikaa. Asemat tallentavat luotaimen lähettämää radiosignaalia, jossa tapahtuvat taajuuden muutokset kertovat luotaimen ja asemien välisen keskinäisen nopeudenmuutoksista. Tarkalla analyysillä voidaan jäljittää mahdollisen matkavauhdin anomalia ennakoituun verrattuna.

Tehtävä ei välttämättä ole kovinkaan helppo, sillä Malarüen maa-asema on suunniteltu seuraamaan etäällä olevia ja hitaalla kulmanopeudella eteneviä luotaimia. Juno sujahtaa Maan ohi läheltä ja suurella nopeudella ja maa-asemilla se näkyy luotaimen liikkeen suurena kulmanopeutena. Näin ollen luotaimen luotettava seuraaminen on erittäin haastava tehtävä.

Malarüen 35 m seuranta-antenni. Kuva ESA.