Благодаря миссии НАСА «Юнона» в системе Юпитера мы получили самые лучшие виды на вулканический спутник газового гиганта Ио. Несмотря на то, что «Юнона» обеспечивает нам самые лучшие виды луны, она также углубляет наши существующие вопросы. Только специальная миссия на Ио может ответить на эти вопросы, и есть две предлагаемые миссии.
Ио хорошо известен как самый геологически активный мир в Солнечной системе, и это даже близко не так. На нем более 400 действующих вулканов. Ио — ближайший к Юпитеру спутник, и мощная гравитация планеты в значительной степени ответственна за вулканы Ио. Когда планета притягивает Ио, трение создает приливной нагрев внутри спутника. Это создает магму и вызывает его вулканические извержения. Соединения серы в извержениях окрашивают поверхность спутника в оттенки красного, желтого, белого, черного и зеленого.
Никогда не было специальной миссии к Ио, были только миссии, которые делали снимки, когда проходили мимо, включая Galileo, Voyager 1, Cassini, New Horizons и Juno, текущую миссию NASA к Юпитеру. Но Ио интригует и уникален, и он может многому нас научить.
Ученые-планетологи хотят узнать больше о геологических процессах на Луне. Ио считается миром с высоким тепловым потоком, и ученые хотят узнать больше о его приливном рассеивании. Изучение Ио также может рассказать нам больше о примитивных планетных телах, которые когда-то были вулканическими, каковыми, вероятно, была Земля в начале своей истории.
Ио также может рассказать нам больше о вулканогенных атмосферах, которые могут играть жизненно важную роль в формировании окружающей среды планеты. В этой статье 2020 года проводится связь между вулканической активностью Земли и Великим событием оксигенации, критическим периодом, когда кислород накапливался в атмосфере Земли. Лучшее понимание связи между вулканической активностью и эволюцией атмосферы поможет нам лучше понять экзопланеты и обитаемость.
Ученые знают, что галилеевы луны обмениваются материалом с атмосферой и магнитосферой Юпитера. Они также знают, что материал, выбрасываемый вулканами Ио, может достигать поверхностей других лун. Часть его может быть превращена в плазму мощной магнитосферой Юпитера, образуя плазменный тор Ио. Им любопытно узнать об этом обмене масс в системе Юпитера и о том, как он сформировал луны.
Вот причины, по которым была организована специальная миссия на Ио.
В 2010 году ученые из Университета Аризоны и Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса впервые предложили Io Volcano Observer (IVO) в рамках Программы открытий NASA. IVO был предложен как недорогая миссия по исследованию вулканического спутника Юпитера. Он был предложен снова в 2015 и 2019 годах. В 2020 году IVO был выбран вместе с двумя другими миссиями для дальнейшего изучения, но в конечном итоге проиграл миссиям DAVINCI+ и VERITAS к Венере.
Теперь есть еще одно предложение для Io Volcano Observer, но на этот раз оно в рамках программы NASA's New Frontiers. Новое предложение показывает, что желание миссии, ориентированной на Ио, не исчезнет. Наоборот, оно набирает обороты.
В новой статье, которая все еще находится на рецензировании, группа преимущественно американских ученых представляет свою версию New Frontiers IVO. Она называется «Сравнение концепций миссий NASA Discovery и New Frontiers Class для Io Volcano Observer (IVO)». Первым автором является Кристофер Гамильтон из Лунной и планетарной лаборатории Университета Аризоны.
По мнению авторов, НФ IVO будет решать наши научные вопросы, достигая трех целей:
- Определить, как и где внутри Ио генерируется приливное тепло;
- Понять, как приливное тепло переносится на поверхность Ио;
- Понять, как развивается Ио.
Первоначальное предложение IVO предполагало, что космический аппарат столкнется с Ио десять раз за четыре года после достижения Луны в 2033 году. Он должен был нести пять инструментов, и рассматривался вопрос о шестом. IVO должен был пересечь Ио от полюса до полюса, пройдя через экватор на высоте от 200 до 500 километров (от 124 до 310 миль).
Ближайшие подходы были тщательно спроектированы, чтобы предоставить космическому аппарату наилучшие наблюдения за магнитным полем луны, гравитационным полем и амплитудой либрации. Подходы также позволили бы получить как солнечные, так и темные виды вулканов, что позволило бы космическому аппарату изучить состав лавы. Полярная перспектива предоставила бы новые виды тепла, исходящего от луны, которые были недоступны Галилею и не наблюдались с Земли.
Новое предложение IVO NF сохраняет полярную орбиту оригинального IVO, но улучшает ее несколькими способами. Universe Today поговорил с ведущим автором Кристофером Гамильтоном о новом предложении. Его замечания были слегка отредактированы для ясности.
Первое изменение в новом предложении касается количества пролетов, которое увеличится с 10 до 20.
«Оба ИВО и ИВО-НФ — Это замечательные миссии, но удвоение числа пролетов более чем вдвое увеличивает научный эффект от миссии на Ио!»
Кристофер Гамильтон, Лаборатория Луны и планет, Университет Аризоны.
«10 пролетов для первоначальной миссии IVO уровня Discovery заполнили бы важные пробелы в охвате изображениями, которые остались незаполненными после эпохи Voyager и Galileo», — сказал Гамильтон. Так зачем же удваивать их?
«Новый тур не только удваивает покрытие поверхности Ио изображениями высокого разрешения, но и позволяет больше пролетать мимо активных вулканов, таких как Локи, Локи Патера и Пиллиан Патера», — сказал Гамильтон. «Это высокодинамичные вулканические системы, которые включают активные лавовые озера и взрывные извержения — одного пролета над вулканическими системами просто недостаточно, чтобы ограничить их временную изменчивость и динамику извержений».
Как и Луна Земли, Ио приливно заблокирована Юпитером, и одна сторона более доступна для изучения, чем сторона, обращенная к Юпитеру. Но влияние Юпитера на Ио гораздо сильнее, чем влияние Земли на Луну. «Однако приливные взаимодействия между Юпитером и Ио намного сильнее, возбуждая приливы в твердых породах с амплитудой около 100 м (328 футов), что выше Статуи Свободы!» — сказал Гамильтон. Эти приливные взаимодействия вызывают мощный вулканизм Ио. «Однако исследования последнего десятилетия показали, что это тепло также расплавило слой внутри Ио, образовав подповерхностный '''океан магмы''», — сказал Гамильтон.
Десять орбит оригинального IVO с его магнитометрическим инструментом подтвердили бы или опровергли эту гипотезу. Новое предложение будет содержать улучшенную версию этого инструмента, и с большим количеством орбит он мог бы ответить на вопросы о магматическом океане Ио.
«IVO-NF также будет нести феррозондовый магнитометр и с повторными проходами, тщательно рассчитанными по времени для измерения индуцированного магнитного поля Ио в разное время на его орбите, значительно сократит неопределенность в оценке потенциальной глубины магматических океанов», — сказал Гамильтон. Текущая неопределенность составляет ±10 км, но IVO NF сократит ее до ±3 км. Это «произведет революцию в нашем понимании недр Ио и связей между приливным нагревом и вулканизмом», — сказал Гамильтон Universe Today.
«И IVO, и IVO-NF — замечательные миссии, но удвоение числа пролетов более чем вдвое увеличивает научный результат миссии к Ио!» — сказал Гамильтон.
IVO-NF также приблизится к Ио гораздо ближе, чем оригинальный IVO. Первоначальная миссия предусматривала высоту 200 и 500 километров (124 и 310 миль) над поверхностью Ио. IVO-NF начнет свою миссию с пролетов на большой высоте, но по мере продвижения миссии и достижения целей он будет подходить гораздо ближе.
«С 20 пролетами IVO-NF может быть более смелым, подлетев ближе к поверхности Ио и даже пролетев через его вулканические шлейфы, чтобы определить химический состав продуктов его извержения в беспрецедентных подробностях», — сказал Гамильтон в интервью Universe Today.
Первоначальные пролеты будут осуществляться на высоте около 200 км, «но по мере выполнения миссии и достижения базовых целей мы сможем снизить высоту последующих пролетов над действующими вулканами, такими как Пеле Патера», — сказал Гамильтон.
«Тем не менее, мы сначала сфотографируем и проанализируем эти вулканы, используя повторное покрытие, чтобы еще больше ограничить безопасность близкого сближения, и примем меры предосторожности, такие как переориентация солнечных панелей космического корабля так, чтобы они пролетали через шлейф сбоку, а не обнажали всю площадь поперечного сечения», — сказал Гамильтон Universe Today. «Пролет шлейфа над Ио также откроет дверь другим возможностям отбора проб для шлейфов на активном спутнике Сатурна, Энцеладе».
«Это может показаться опасным, но даже на высоте 50 км частиц будет очень мало», — сказал Гамильтон. Но прежде чем космический аппарат приблизится так близко, он воспользуется своим анализатором поверхностной пыли, чтобы понять опасность. Этот прибор был добавлен к IVO-NF в качестве главного приоритета. Он будет измерять состав поверхностной пыли и состав нанозерен в вулканических шлейфах. В целом, это даст ученым лучшее понимание пылевой среды Ио и сообщит им, безопасно ли приближаться на расстояние 50 км.
По словам Гамильтона, мы переживаем возрождение в исследовании системы Юпитера.
«Это важный момент в исследовании планет, и исследование системы Юпитера переживает ренессанс, поскольку Juno, Europa Clipper и JUICE одновременно изучают Юпитер, Европу и Ганимед», — сказал Гамильтон Universe Today. Ио является важнейшей частью системы лун Юпитера. Он находится в центре конфигурации орбитального резонанса между Ио, Европой и Ганимедом, и резонанс стимулирует геологическую активность на всех трех лунах, включая вулканизм, тектоническую активность и формирование поверхностных структур.
«Juno заполнила некоторые важные пробелы, оставшиеся после завершения миссии Galileo (1995–2003), но IVO и IVO-NF станут первыми, у кого будет набор инструментов, оптимизированный специально для Ио», — сказал Гамильтон.
Для интеллектуально любознательных все в природе достойно изучения и более глубокого понимания. Такой необычный мир, как Ио, определенно не является исключением, со всем, что он может нам рассказать о себе, своих спутниках-сёстрах и даже о ранних Земле и Луне.
«В нашей статье утверждается, что Ио является приоритетной целью для исследования, которую следует рассмотреть в следующем объявлении New Frontier о возможностях», — сказал Гамильтон Universe Today. Он признает, что первоначальная миссия IVO на уровне Discovery возможна, но миссия IVO New Frontiers достигнет гораздо большего и более подробно рассмотрит наши нерешенные вопросы об Ио.
«Более масштабная миссия к Ио с помощью New Frontiers более чем вдвое увеличит научную отдачу миссии и предоставит наилучший подход к пониманию не только Ио, но и системы Юпитера в целом, а также происхождения миров с высоким тепловым потоком, таких как ранняя Земля, ранняя Луна и другие планеты земной группы в Солнечной системе и за ее пределами», — заключил Гамильтон.
