De intense straling rond Jupiter heeft elk aspect van de Juno-missie gevormd, vooral de baan van Juno. Gegevens tonen aan dat er een opening is tussen de stralingsgordels die Jupiter omringen en de wolkentoppen van Jupiter. Juno zal ‘de naald’ moeten rijgen en door deze opening moeten reizen om de blootstelling aan straling tot een minimum te beperken en om zijn wetenschappelijke doelstellingen te verwezenlijken. De complexiteit van de Juno-missie wordt nog vergroot door het feit dat het ontwerp van het ruimtevaartuig, de wetenschappelijke doelstellingen en de orbitale vereisten elkaar allemaal hebben gevormd.
Ik wist niet zeker met welke vraag ik dit interview moest beginnen: hoe vormden de omstandigheden rond Jupiter, met name de extreme straling, de baan van Juno? Of, hoe vormde de baan die Juno nodig had om de extreme straling van Jupiter te overleven, de wetenschappelijke doelstellingen van Juno? Of, ten slotte, hoe vormden de wetenschappelijke doelstellingen de baan van Juno?
Scott Bolton, NASA hoofdonderzoeker voor de Juno-missie naar Jupiter. Afbeelding tegoed: NASA
Zoals je kunt zien, lijkt de Juno-missie een beetje een Gordiaanse knoop. Ik weet zeker dat alle drie de vragen verschillende keren moesten worden gesteld en beantwoord, waarbij de antwoorden de andere vragen vorm gaven. Om deze knoop te helpen ontwarren, sprak ik met Scott Bolton, NASA's hoofdonderzoeker voor de Juno-missie. Als de verantwoordelijke voor de hele Juno-missie heeft Scott een volledig begrip van Juno's wetenschappelijke doelstellingen, Juno's ontwerp en het baanpad dat Juno rond Jupiter zal volgen.
EG: Hoi Scott. Bedankt dat je de tijd hebt genomen om vandaag met me te praten. De straling van Jupiter is een groot gevaar waarmee Juno te kampen heeft en Juno's titaniumkluis is ontworpen om de elektronica van Juno te beschermen. Maar de baan van Juno wordt gedeeltelijk gevormd door de straling rond Jupiter. Hoe heeft de straling rond Jupiter de baan van Juno gevormd?
"... we wisten dat de regio rond Jupiter erg slecht, gevaarlijk en hard is met straling ..."
SB: Nou, het heeft onze keuzes beperkt, laten we zeggen. De baan van Juno werd gekozen door een combinatie van de mogelijkheden voor wetenschappelijke metingen, waarvoor een bepaalde geometrie of locatie van het ruimtevaartuig nodig was om te presteren, en het feit dat we zo goed mogelijk de meest gevaarlijke regio moesten vermijden, in feite in de zonnestelsel. Dit vereiste dat we heel dicht bij Jupiter waren en polair van oriëntatie. We gaan over de palen van Jupiter. En we wisten dat de regio rond Jupiter erg slecht, gevaarlijk en hard is met straling, maar we waren daar ook nog nooit met een ruimtevaartuig geweest. We weten dus niet precies hoe hard het is, of hoe het precies is gevormd. We hebben slechts enkele ideeën.
Maar door analogieën met de aarde en door modellering waren we in staat om een manier te vinden om de wetenschappelijke doelstellingen te bereiken die we wilden en toch uit de ergste regio's te blijven. Juno komt binnen over de polen en zal heel dicht bij Jupiter zakken op een manier die naar onze mening tussen de stralingsgordels en de atmosfeer van Jupiter zelf zal zijn.
Op aarde is er een klein venster tussen onze eigen stralingsgordels - die lang niet zo gevaarlijk zijn als die van Jupiter, maar op dezelfde manier zijn gevormd - en de atmosfeer van de aarde. Er is een gat daar, en we hebben bewijs dat er ook een gat is bij Jupiter, en we steken die naald in.
EG: Waar komt het bewijs voor die kloof vandaan, behalve alleen kijken naar de Van Allen-riemen van de aarde? Waren er observaties van een van de NASA-observatoria waaruit bleek dat er een vergelijkbare kloof zou zijn rond Jupiter?
SB: We gebruikten radiotelescopen zoals de VLS (Very Large Array) en andere radiotelescopen over de hele wereld die naar Jupiter kunnen kijken, en bij bepaalde frequenties zien ze zogenaamde synchrotronstraling. Synchrotron-straling is elektronen met een zeer hoge energie die met bijna de lichtsnelheid bewegen en radio-emissies afgeven. Ze geven het af in een heel specifieke geometrie gebaseerd op relativistische fysica. We kunnen dat zien en het vertelt ons iets over hoe de straling wordt gevormd en hoe de populatie van hoogenergetische elektronen wordt verdeeld. Dat wordt gebruikt in modellen, en we kunnen aangeven dat er een kleine opening zou moeten zijn, deels omdat als we naar die straling kijken, het lijkt alsof hij wegvalt omdat hij heel dicht bij Jupiter komt. Maar we hebben een beperkte resolutie, dus hoewel er een indicatie is dat er een kloof bestaat tussen Jupiter en zijn stralingsgordels, is er geen positief bewijs.
EG: Dus Juno zelf zal het positieve bewijs zijn dat er een kloof is tussen Jupiter en zijn stralingsgordels?
SB: Ja. En dan hebben we nog een andere meting die ons helpt dit te begrijpen. Het Galileo-ruimtevaartuig dat halverwege de jaren 90 om Jupiter cirkelde, bevatte een sonde die de atmosfeer van Jupiter inging om erachter te komen waar het van gemaakt was. Die sonde heeft enkele metingen gedaan met een aantal zeer ruwe instrumenten, bijna zoals geigertellers, en de gegevens van die metingen wezen op een piek in straling en vervolgens op een opening dicht bij Jupiter. Dat gaf ons dus verder bewijs dat er een leemte bestaat. Hoewel het een zeer beperkte dataset is, komt het overeen met de modellen van de radiotelescopen.
EG: Je moet bepaalde wetenschappelijke doelstellingen voor ogen hebben gehad voor de Juno-missie, dus hoe heeft dit begrip van de stralingsgordels van Jupiter en de baan die nodig is om ze te vermijden, de wetenschappelijke doelstellingen van de Juno-missie gevormd? Heeft het ertoe geleid dat alle doelstellingen helemaal zijn opgegeven?
"In feite waren het de wetenschappelijke doelstellingen die in feite de baan bepaalden."
SB: Nee helemaal niet. In feite waren het de wetenschappelijke doelstellingen die in feite de baan bepaalden. Dat was de reden dat we heel dichtbij wilden komen. De vraag was hoe dichtbij we kunnen komen die veilig is, en hoe vaak kunnen we in een baan om de aarde draaien? Dus ik zou zeggen dat wat de straling doet, is dat het onze baan niet zozeer heeft veranderd als wel het aantal keren dat we kunnen cirkelen. We hadden dus een beperkte levensduur en vanwege die beperkte levensduur gingen we een baan in waardoor we de planeet zo snel mogelijk in kaart konden brengen. We willen er heel dicht langs vliegen, op veel verschillende lengtes die gelijkmatig verdeeld zijn.
De wetenschappelijke doelstellingen en de beperkingen van de stralingsgordels vertelden ons dat Juno maar zo lang meegaat, dus je moet de kaart in een beperkte tijd klaar krijgen. Er is dus een kleine afweging. Misschien was er een manier om Juno langer te beschermen met meer titanium, meer afscherming, om een beetje langer mee te gaan, maar het wordt uiteindelijk zo erg dat ik niet zeker weet of we het meer hebben beschermd dat het langer zou meegaan.
"Als ik genoeg brandstof aan boord had kunnen krijgen, had ik de baan tijdens de missie kunnen veranderen ..."
EG: Verminderend rendement, denk ik?
SB: Rechtsaf. Dus de beperkingen van de techniek en de praktische aspecten van wat we op een raket kunnen lanceren, hebben ons echt beperkt. Als ik genoeg brandstof aan boord had kunnen doen, had ik de baan in het midden van de missie kunnen veranderen, zodat we langer mee konden. Dat zou echter een enorme hoeveelheid brandstof vergen. Wat er gebeurt, is dat wanneer je dicht bij Jupiter bent, het niet perfect symmetrisch is, dus het begint de vorm van de baan van Juno te veranderen.
EG: Dus je zou dan correcties moeten aanbrengen om de baan te behouden?
SB: Ja, maar dat kunnen we niet. We hebben niet genoeg brandstof om zoiets te doen, dus je moet leven met wat Jupiter met de baan doet. Dus het begint de baan rond te draaien en elke keer dat we bij Jupiter komen, begint het de baan een beetje meer te draaien. We gebruiken dat wetenschappelijk een beetje, maar de realiteit is dat we er maar mee moeten leven. Als de modi correct zijn, hebben we voor de eerste helft van de missie niet te maken met de maximale hoeveelheid straling, maar tegen de tweede helft van de missie begint het slechter te worden. We kunnen de stralingsgordels niet zoveel vermijden als we in het begin konden. Dat is in feite wat de levensduur van de Juno-missie beperkt.
EG: Dus Jupiter beïnvloedt constant de baan van Juno, en je hebt een beperkte capaciteit om daarmee om te gaan?
SB: Dat is correct. Het is omdat Jupiter geen perfecte bol is.
EG: En een van de doelstellingen is om de zwaartekracht van Jupiter in kaart te brengen?
SB: Ja, om erachter te komen hoe precies een imperfecte bol is [gelach]. En om daaruit te leren hoe de interne structuur eruit ziet, en dus hoe hij gevormd is.
EG: Dit lijkt een goed moment om te vragen wat de vorm van de baan van Juno is? Hoe dicht zal hij bij Jupiter komen en hoe ver zal hij tijdens zijn baan komen?
"... we zijn in de buurt van de buitenste manen, bij Callisto of zo."
SB: Het is een ellips, zoals de meeste banen, en het dichtstbijzijnde naderingspunt is ongeveer 5.000 km (3100 mijl) boven de wolkentoppen of zo, en dat wordt perijove genoemd. Aan de andere kant zijn we bij de buitenste manen, bij Callisto of zo.
EG: Een behoorlijke afstand dan.
SB: Ja, het is nogal een afstand verwijderd. Het duurt ongeveer 14 dagen om een baan om de aarde te voltooien. En dan is de andere oriëntatie precies over de polen. Recht over de noord- en zuidpool. Maar we komen niet meteen in die baan. We moeten eerst onze raketten afvuren en we komen in een veel grotere baan die ongeveer 53 dagen duurt om rond te gaan, en de afstand die we van Jupiter afleggen is zo veel verder. In de loop van de eerste paar maanden hebben we genoeg brandstof om de baan aan te passen om te krijgen wat we uiteindelijk willen, en dat duurt een paar maanden.
EG:Juno werkt dus ook op zonne-energie, behalve zijn brandstof om zijn baan te veranderen. Je moet blootgesteld blijven aan de zon, dus dat moet een extra zijn geweest bij het ontwerpen van je baan?
"... in het algemeen vermijden we schaduwen of verduistering door Jupiter."
SB: Ja, dat was een extra beperking in die zin dat ik niet in de schaduw van Jupiter wil gaan. Ik wil dat de zonnepanelen altijd de zon zien. We kunnen korte perioden zonder dat, maar over het algemeen vermijden we schaduwen of verduistering door Jupiter.
EG: Is dat een van de redenen waarom de baan je zo ver van Jupiter brengt? Om te voorkomen dat je in de schaduw van Jupiter gaat?
SB: Ja dat klopt. Hoewel je het zou kunnen vermijden, zelfs als je zo dichtbij was, als je zijwaarts cirkelde. Ik hoef niet achter Jupiter aan te gaan, ook al was de baan klein. Maar je moet dat allemaal uitrekenen en zeker weten.
EG: Zullen alle instrumenten van Juno actief zijn in al zijn banen? Of zijn sommige banen gewijd aan bepaalde sensoren en instrumenten?
SB: Over het algemeen zijn alle instrumenten actief. Maar we hebben banen die gericht zijn op bepaalde dingen op basis van aanwijsvereisten. Bijvoorbeeld de zwaartekrachtmeting. Als we het zwaartekrachtveld willen meten, moeten we ervoor zorgen dat de antenne zoveel mogelijk op de aarde is gericht. Zo meet je het zwaartekrachtveld, kijk je naar het signaal dat Juno terugstuurt naar de aarde, en meet je de Doppler-verschuiving van het radiosignaal en dat vertelt je hoe het zwaartekrachtveld op Juno is geduwd en getrokken.
Als we het zwaartekrachtveld niet meten, hebben we andere instrumenten die er de voorkeur aan geven rechtstreeks op Jupiter te wijzen. Ze kunnen nog steeds de gegevens opnemen terwijl we het zwaartekrachtveld meten, maar het is beter als ze rechtstreeks op Jupiter wijzen. We kunnen tolereren dat, omdat de zonnepanelen nog steeds op de zon zijn gericht en we nog steeds in communicatie met het ruimtevaartuig kunnen blijven, we gewoon niet de volledige zwaartekrachtveldmeting kunnen krijgen.
"... helemaal aan het einde van de missie zullen de zonnecellen naar verwachting niet zo goed presteren als aan het begin."
We hebben dus enkele banen die zijn gewijd aan die geometrie. Natuurlijk, als we ons daaraan wijden, was het dat we het zwaartekrachtsysteem gewoon konden uitschakelen als we het niet gebruikten. Maar ik denk dat onze schattingen nu zijn dat onze kracht voldoende is om deze beide tegelijkertijd te kunnen behouden. Of we dat nu doen of niet, het is niet vereist, maar aan het einde van de missie wordt niet verwacht dat de zonnecellen zo goed zullen presteren als aan het begin.
EG: Komt dat door de straling? Om dezelfde reden dat de elektronica gevoelig is, zullen de zonnecellen na verloop van tijd afbreken?
SB: Dat is juist. We hebben ze dus beschermd, maar we weten niet hoe goed dat precies werkt. We hebben het niet in onze plannen, maar we kunnen het opnemen met het idee dat als we aan het einde van de missie, als we niet genoeg kracht hebben om alles uit te voeren, we kunnen beginnen met het uitschakelen van sommige instrumenten die hebben de meeste wetenschap gedaan die we wilden dat ze deden. We kunnen om de beurt afwisselen welke instrumenten aanstaan en welke niet.
EG: Dus dat geeft je enige missieflexibiliteit als de straling ernstiger is dan modellering suggereert? Heb je enige flexibiliteit om tegen het einde prioriteiten te stellen?
SB: Dat is correct. Op dit moment suggereren onze modellen dat we dat niet hoeven te doen, maar we kunnen die knop draaien als dat nodig is.
EG: Ik vraag me af over de gedetailleerde modellering die je hebt gedaan voor Jupiter's straling en de Juno-missie, en kijk naar de informatie die beschikbaar is op NASA's websites en andere bronnen. Er wordt gesuggereerd dat niet wordt verwacht dat alle instrumenten van Juno de 33 banen zullen overleven, toch? Is er een best case scenario voor het overleven van instrumenten? Ik heb gelezen dat JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) en misschien Junocam misschien maar tot de 8e baan blijven bestaan, en de microgolfradiometer misschien maar tot baan 11. Is dat een goed scenario? Of meer een middenwegmodel dat u die baannummers volgt?
SB: We hopen dat dit het ergste scenario is. Ze zijn ontworpen om dat te overleven met een factor 2 aan straling. Het is waarschijnlijk iets groter dan een factor twee. Dus dat zouden ze zonder problemen moeten kunnen doen. Het zou een verrassing zijn als ze niet zo lang zouden duren. Onze verwachting is dat ze waarschijnlijk naar het einde van de missie gaan. Maar daar reken ik niet op, en dat heb ik niet nodig. Het kwam door het feit dat een paar van die instrumenten hun elektronica niet in de <titanium> kluis hebben.
EG: Is dat omdat ze niet alle 33 banen nodig hebben om hun missie te vervullen? Krijgen instrumenten prioriteit in de titaniumkluis op basis van het aantal banen dat ze nodig hebben om hun missie te voltooien?
"In de kluis met alle elektronica kan het een behoorlijk warme plaats zijn, en sommige instrumenten zijn wat beter af als het koud is."
SB: Dat is juist. Daarom hebben we die keuze gemaakt. Ze hadden duidelijk wat bescherming nodig tegen de straling van Jupiter, dus er zijn kleine dozen om hen heen, maar niet zoals de gigantische kluis. Er zijn ook enkele andere redenen waarom ze niet in de kluis zitten. Er zijn enkele voordelen aan het verhuizen. In de kluis met alle elektronica kan het best een warme plek zijn, en sommige instrumenten zijn wat beter af als het koud is. Er zijn dus verschillende transacties gaande. Maar je hebt het goed gekarakteriseerd in de zin dat we niet nodig zijn om de wetenschappelijke doelstellingen te bereiken om ze de hele missie te laten duren. Maar ik verwacht dat er voordelen zijn als ze langer meegaan, dus we hebben hoop toen we ze ontwierpen dat ze langer zouden meegaan.
EG: Scott, wat is je formele titel bij NASA?
SB: Officieel heet het Principal Investigator. Dus ik ben de hoofdonderzoeker van de Juno-missie. Dat is een officiële titel die vrijwel alleen iets betekent voor NASA-mensen.
EG: Dus je hebt vanaf het begin van Juno deelgenomen aan het missieontwerp?
SB: O ja. Ik heb het hele ding gemaakt, of het hele proces. Wat Principal Investigator voor de gemiddelde persoon betekent, ben ik verantwoordelijk voor Juno. Voor alles wat met Juno te maken heeft, ben ik verantwoordelijk voor het succes ervan. Of het nu gaat om het ontwerp, de techniek, de wetenschap, het op tijd laten bouwen, te veel geld uitgeven, de planning, al dat soort dingen. Een andere manier om te zeggen is dat als er iets misgaat, ik de schuld krijg [gelach.]
EG: Nou, ik denk dat veel ervan goed zal gaan [gelach.] Dus, net als ik, moet je behoorlijk reikhalzend uitkijken naar Juno's komst bij Jupiter. Wat is het meest interessante en opwindende onderdeel van Juno's missie als je één ding zou moeten kiezen? Ik weet zeker dat het bijna onmogelijk is om te antwoorden. En wat zou voor jou een verrassing kunnen zijn? Als we kijken naar de aankomst van New Horizon in Pluto en de verrassende dingen die we daar hebben gevonden, of Cassini die ijsgeisers vindt, lijkt er altijd een verrassing op ons te wachten. Wat vind jij het meest opwindend aan Juno, of wat is volgens jou een verrassende bevinding?
"... het opwindende van Juno is dat we ergens heen gaan waar nog nooit iemand is geweest."
SB: Nou, door de definitie van verrassing kan ik niet raden. Op geen van deze dingen kon worden geanticipeerd en daarom waren ze verrassingen. Maar weet je, het opwindende van Juno is dat we ergens heen gaan waar nog nooit iemand is geweest. We gaan metingen doen die nog nooit zijn gedaan. We hebben instrumenten die simpelweg nooit eerder zijn gemaakt, laat staan om ze in deze unieke orbitale geometrie te krijgen waar u speciale metingen kunt doen. Dus ik denk dat de anticipatie om iets gloednieuws te leren dat ons zal verrassen het opwindende deel is.
Wat gaan we echt leren dat onze ideeën gaat veranderen over waar we vandaan kwamen en hoe we hier kwamen? Hoe ziet Jupiter er echt uit? Er zijn zoveel puzzels over en het is zo belangrijk. Zelfs vandaag hebben de dingen die we hebben geleerd over ons eigen zonnestelsel en de dingen die we hebben geleerd over andere zonnestelsels nu we exo-planeten zijn gaan zien, Jupiter alleen maar belangrijker voor ons gemaakt. Het bevat echt de sleutel, en ik denk dat het opwindende deel is dat we eindelijk een van de deuren naar die geheimen gaan ontgrendelen. We helpen de weg te banen voor toekomstige missies om nog meer te leren.
Het andere dat ik opwindend vind, is dat ik de zogenaamde hoofdonderzoeker ben, en als je NASA vraagt wat dat betekent en ze je vertellen dat ik verantwoordelijk ben voor alles, is de echte waarheid dat het niet één persoon is. Het is een enorm team dat dit mogelijk heeft gemaakt. Dat hielp bij het ontwerpen, dat creëerde een manier om het te doen, dat begreep de beperkingen, dat begreep hoe het kon werken, dat de technologieën bedacht die we nodig hadden om het mogelijk te maken, en dat in feite de visie had om het te creëren, en de vermogen om het te implementeren en die visie te realiseren. Ik ben opgewonden dat ik deel uitmaak van dit team van mensen die dit bereiken, en dat dat team eigenlijk gewoon deel uitmaakt van onze samenleving en de mensheid, die allemaal hun best doen om dingen te bedenken. Dingen zoals hoe we in de natuur passen en hoe het universum werkt. Ik ben over het algemeen opgewonden om deel uit te maken van iets dat zoiets probeert te doen.
EG: Het is geweldig en ik ben het volledig eens met je woorden, en ik vind het opwindend voor mezelf en voor lezers van Space Magazine. Het is een enorme missie en we kunnen niet wachten om wat resultaten terug te krijgen. En een foto. Het is super spannend.
SB: Ik ook. [gelach]
EG: Bedankt dat je de tijd hebt genomen om vandaag met me te praten Scott. Hopelijk kunnen we weer praten. Ik weet dat mensen erg geïnteresseerd zijn in de Juno-missie.
SB: Graag gedaan. Fijne dag.
