Den intense strålingen rundt Jupiter har formet alle aspekter av Juno-oppdraget, spesielt Junos bane. Data viser at det er et gap mellom strålingsbeltene som omkranser Jupiter, og Jupiters skyetopper. Juno må "trenge nålen" og reise gjennom dette gapet for å minimere eksponeringen for stråling og for å oppfylle vitenskapelige mål. Tillegg til kompleksiteten i Juno-oppdraget, er det faktum at utformingen av romskipet, de vitenskapelige målene og omløpskravene alle formet hverandre.
Jeg var ikke sikker på hvilket spørsmål jeg skulle starte dette intervjuet med: Hvordan formet forholdene rundt Jupiter, særlig dens ekstreme stråling, Junos bane? Eller, hvordan formet bane som er nødvendig for at Juno skulle overleve Jupiters ekstreme stråling Junos vitenskapelige mål? Eller endelig, hvordan formet de vitenskapelige målene Junos bane?
Scott Bolton, NASAs hovedetterforsker for Juno-oppdraget til Jupiter. Bildekreditt: NASA
Som du ser virker Juno-oppdraget som litt av en gordisk knute. Jeg er sikker på at alle tre spørsmålene ble stilt og besvart flere ganger, med svarene som formet de andre spørsmålene. For å hjelpe med å løsne denne knuten snakket jeg med Scott Bolton, NASAs hovedetterforsker for Juno-oppdraget. Som den som er ansvarlig for hele Juno-oppdraget, har Scott en fullstendig forståelse av Junos vitenskapelige målsettinger, Junos design, og den bane banen Juno vil gå rundt Jupiter.
EG: Hei Scott. Takk for at du tok deg tid til å snakke med meg i dag. Jupiters stråling er en stor fare som Juno må kjempe med, og Junos titanhvelv er designet for å beskytte Junos elektronikk. Men Junos bane er delvis formet av strålingen rundt Jupiter. Hvordan har strålingen rundt Jupiter formet Junos bane?
"... vi visste at regionen rundt Jupiter er virkelig dårlig, farlig og hard med stråling ..."
SB: Vel, det begrenset valgene våre, la oss si. Junos bane ble valgt gjennom en kombinasjon av mulighetene for vitenskapelige målinger, som trengte en viss form for geometri eller plassering av romskipet for å utføre, og det faktum at vi måtte unngå så godt vi kunne den mest farlige regionen, i utgangspunktet, i solsystemet. Dette krevde at vi var veldig nær Jupiter, og polare i orientering. Vi går over polene til Jupiter. Og vi visste at regionen rundt Jupiter er virkelig dårlig, farlig og hard med stråling, men vi hadde heller aldri gått der inne med et romskip. Så vi er ikke helt sikre på hvor tøff det er, eller nøyaktig hvordan det er formet. Vi har bare noen ideer.
Men gjennom analogier med jorden, og gjennom modellering, var vi i stand til å finne ut en måte å oppnå de vitenskapelige målene vi ønsket, og fortsatt holde oss utenfor de verste regionene. Juno kommer inn over polene, og vil dyppe veldig nær Jupiter på en måte som vi tror vil være mellom strålingsbeltene og Jupiters atmosfære i seg selv.
På Jorden er det et lite vindu mellom våre egne strålingsbelter - som ikke er så farlige som Jupiters, men er formet på lignende måte - og Jordens atmosfære. Det er et gap der, og vi har bevis på at det også er et gap på Jupiter, og vi trekker den nålen.
EG: Hvor kom bevisene for det gapet fra, annet enn å bare se på jordens Van Allen-belter? Var det noen observasjoner fra noen av NASAs observatorier som viste at det ville være et lignende gap rundt Jupiter?
SB: Vi brukte radioteleskoper som VLS (Very Large Array) og andre radioteleskoper rundt om i verden som kan se på Jupiter, og på bestemte frekvenser ser de det som kalles synkrotronstråling. Synkrotronstråling er elektroner med veldig høy energi som beveger seg i nærheten av lysets hastighet, og de gir fra seg radioutslipp. De gir det fra i en veldig spesifikk geometri basert på relativistisk fysikk. Det kan vi se, og det forteller oss noe om hvordan strålingen formes, og hvordan bestanden av høyenergi-elektroner er fordelt. Det brukes i modeller, og vi kan indikere at det skal være litt av et gap, blant annet fordi når vi ser på den strålingen, ser det ut som om det slipper for når det kommer veldig nær Jupiter. Men vi har en begrenset oppløsning, så selv om det er en indikasjon på at det er et gap mellom Jupiter og strålingsbeltene, er det ingen positive bevis.
EG: Så Juno selv vil være det positive beviset på at det er et gap mellom Jupiter og strålingsbeltene?
SB: Ja. Og så har vi en annen måling som hjelper oss å forstå dette. Romfartøyet Galileo som gikk i bane rundt Jupiter tilbake på midten av 90-tallet, inneholdt en sonde som gikk inn i atmosfæren til Jupiter for å finne ut hva den var laget av. Den sonden tok noen målinger med noen veldig rå instrumenter, nesten som Geiger tellere, og dataene fra disse målingene indikerte en topp i stråling og deretter et gap nær Jupiter. Så det ga oss ytterligere bevis på at det eksisterer et gap. Selv om det er et veldig begrenset datasett, stemmer det overens med modellene fra radioteleskopene.
EG: Du må ha hatt visse vitenskapelige mål i tankene for Juno-oppdraget, så hvordan formet denne forståelsen av Jupiters strålingsbelter, og bane som kreves for å unngå dem, vitenskapens mål for Juno-oppdraget? Tvunget det noen mål å bli forlatt helt?
"Det var faktisk de vitenskapelige målene som i utgangspunktet drev banen."
SB: Nei ikke i det hele tatt. Det var faktisk vitenskapsmålene som i utgangspunktet drev banen. Det var det som fikk oss til å ønske å komme veldig nær. Spørsmålet var hvor nær vi kan komme det som er trygt, og hvor mange ganger kan vi gå i bane? Så jeg vil si at det strålingen gjør, er at det ikke endret bane vår så mye som begrenser antall ganger vi kan gå i bane. Så vi hadde en begrenset levetid, og på grunn av den begrensede levetiden gikk vi inn i en bane som gjorde at vi kunne kartlegge planeten så raskt som mulig. Vi ønsker å fly veldig nært, ved mange forskjellige lengdegrader som er jevnt fordelt.
De vitenskapelige målene og begrensningene til strålingsbeltene fortalte oss at Juno bare kommer til å vare så lenge, så du må få kartet gjort på en begrenset periode. Så det er litt av en avveining. Kanskje var det en måte å beskytte Juno lenger med mer titan, mer avskjerming, for å vare litt lenger, men det blir så ille på slutten, at jeg ikke er sikker på om vi beskyttet den mer at den ville vare lenger.
"Hadde jeg vært i stand til å legge nok drivstoff om bord, kunne jeg ha endret bane midt i oppdraget ..."
EG: Minsker avkastningen, antar jeg?
SB: Ikke sant. Så begrensningene i prosjektering og praktiske forhold til hva vi kan skyte på en rakett er virkelig det som begrenset oss. Hadde jeg vært i stand til å legge nok drivstoff om bord, kunne jeg ha endret bane midt i oppdraget for å la oss vare lenger. Det vil kreve en enorm mengde drivstoff. Det som skjer er at når du er i nærheten av Jupiter, er det ikke helt symmetrisk, så det begynner å endre formen på Junos bane.
EG: Så du trenger å gjøre rettelser da, for å opprettholde bane?
SB: Ja, men det kan vi ikke. Vi har ikke nok drivstoff til å gjøre noe sånt, så du må leve med det Jupiter gjør med bane. Så det begynner å vri bane rundt, og hver gang vi kommer innom Jupiter begynner det å vri bane litt mer. Vi bruker det vitenskapelig litt, men virkeligheten er at det bare er noe vi må leve med. For første halvdel av oppdraget, hvis modusene er riktige, trenger vi ikke å takle den maksimale mengden stråling, men mot siste halvdel av oppdraget begynner det å bli verre. Vi kan ikke unngå strålingsbeltene så mye vi kunne i begynnelsen. Det er i grunnen det som begrenser levetiden til Juno-oppdraget.
EG: Så Jupiter påvirker hele Junos bane, og har du en begrenset kapasitet til å takle det?
SB: Det er riktig. Det er fordi Jupiter ikke er en perfekt sfære.
EG: Og et av målene er å kartlegge Jupiters tyngdekraft?
SB: Ja, for å finne ut hvor nøyaktig ufullkommen det er av en sfære [latter.] Og så for å lære av det om hvordan det er interiørstruktur, og dermed hvordan det dannet seg.
EG: Dette virker som et godt tidspunkt å spørre hva formen til Junos bane er? Hvor nær Jupiter vil den komme, og hvor langt unna vil den komme i løpet av sin bane?
"... vi er ute i de ytre månene, i nærheten av Callisto eller så."
SB: Det er en ellipse, som de fleste baner, og det nærmeste tilnærmingspunktet er omtrent 5000 km over skytoppene eller så, og det kalles perijove. På den andre siden er vi ute i nærheten av de ytre månene, i nærheten av Callisto eller så.
EG: Ganske langt unna, da.
SB: Ja, det er ganske langt unna. Det vil ta Juno 14 dager eller så å fullføre en bane. Og da er den andre retningen bare rett over polene. Rett over nord- og sørpolene. Men vi kommer ikke inn i den bane umiddelbart. Vi må først skyte rakettene våre, og vi kommer inn i en mye større bane som tar omtrent 53 dager å gå rundt, og avstanden vi går bort fra Jupiter er så mye lenger. I løpet av de første månedene har vi nok drivstoff til å endre bane for å få det vi til slutt ønsker, og det tar noen måneder å gjøre.
EG:Så Juno er også solcelledrevet, annet enn drivstoffet for å endre bane. Du må være utsatt for solen, så det må ha vært en ekstra når du utformet bane din?
"... generelt unngår vi skygger eller okkultasjoner av Jupiter."
SB: Ja, det var en ekstra begrensning i den forstand at jeg vil unngå å gå i skyggen av Jupiter. Jeg vil at solcellepanelene alltid skal se solen. Vi kan gå korte perioder uten det, men generelt unngår vi skygger eller okkultasjoner av Jupiter.
EG: Er det en av grunnene til at bane tar deg så langt fra Jupiter? For å unngå å gå i Jupiters skygge?
SB: Ja, det er riktig. Selv om du kunne unngå det selv om du var så nær, hvis du gikk i bane rundt siden. Jeg trenger ikke å gå bak Jupiter, selv om bane var liten. Men du må beregne alt det og sørge for.
EG: Vil alle instrumentene fra Juno være aktive i alle banene? Eller er noen av banene dedikert til visse sensorer og instrumenter?
SB: Generelt sett er alle instrumentene aktive. Men vi har baner som er fokusert på visse ting basert på pekekrav. For eksempel tyngdekraftsmåling. Når vi ønsker å måle tyngdekraftsfeltet, må vi sørge for at antennen er rettet mot jorden så mye som mulig. Det er slik du måler tyngdekraftsfeltet, ser du på signalet som Juno sender tilbake til Jorden, og du måler Doppler-skiftet til radiosignalet, og som forteller deg hvordan tyngdekraftsfeltet har presset og trukket på Juno.
Når vi ikke måler tyngdekraftsfeltet, har vi andre instrumenter som foretrekker å peke direkte på Jupiter. De kan fortsatt ta dataene mens vi måler tyngdekraftsfeltet, men det er bedre hvis de peker direkte mot Jupiter. Vi tåler at fordi solcellepanelene fremdeles er rettet mot solen, og vi fremdeles kan være i kommunikasjon med romfartøyet, kan vi bare ikke oppnå full måling av tyngdekraften.
"... helt på slutten av oppdraget forventes det ikke at solcellene skal prestere like bra som i begynnelsen."
Så vi har noen baner som er dedikert til den geometrien. Selvfølgelig når vi er opptatt av at det pleide å være at vi bare kan slå av tyngdekraftssystemet hvis vi ikke bruker det. Men jeg tror at estimatene våre nå er at kraften vår er tilstrekkelig til at vi kan være i stand til å holde disse begge på samtidig. Enten vi gjør det eller ikke, er det ikke påkrevd, men helt på slutten av oppdraget forventes det ikke at solcellene skal utføre så bra som de gjør i begynnelsen.
EG: Det er på grunn av strålingen? Av samme grunn som elektronikken er følsom, vil solcellene forringes over tid?
SB: Det er riktig. Så vi har dem beskyttet, men vi vet ikke hvor bra det vil fungere nøyaktig. Vi har ikke det i planene våre, men vi kan imøtekomme det med ideen om at når vi ikke har nok kraft til å kjøre alt, kan vi begynne å stenge noen av instrumentene som har gjort det meste av vitenskapen som vi ønsket at de skulle gjøre. Vi kan liksom ta svinger for hvilke instrumenter som er på og hvilke som ikke er det.
EG: Så det gir deg en viss oppgavefleksibilitet hvis strålingen er mer alvorlig enn modellering antyder? Har du litt fleksibilitet til å prioritere nær slutten?
SB: Det er riktig. Akkurat nå antyder modellene våre at vi ikke trenger å gjøre det, men vi kan slå den skiven hvis vi trenger.
EG: Jeg lurer på om den detaljerte modelleringen du har gjort for Jupiters stråling og Juno-oppdraget, og ser på informasjonen som er tilgjengelig på NASAs nettsteder og andre kilder. Det antydes at alle instrumentene fra Juno ikke forventes å overleve de 33 banene, er det riktig? Finnes det et slags best case-scenario for instrumentoverlevelse? Jeg har lest at JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) og kanskje Junocam bare kan vare til den 8. bane, og mikrobølgeradiometeret bare kan vare til bane 11. Er det slags et best case-scenario? Eller mer en midt på veimodellen som du følger disse banetallene?
SB: Vi håper det er verste fall. De er designet for å overleve det med en faktor på 2 margin i stråling. Det er sannsynligvis litt større enn en faktor på to. Så de skal kunne gjøre det uten problem. Det ville være en overraskelse hvis de ikke varte så lenge. Vår forventning er at de sannsynligvis vil gå mot slutten av oppdraget. Men jeg stoler ikke på det, og det krever jeg ikke. Det kom av at et par av disse instrumentene ikke har elektronikken sin inne i <titanium> hvelvet.
EG: Er det fordi de ikke trenger alle 33 baner for å oppfylle sitt oppdrag? Prioriteres instrumenter til å være inne i titanhvelvet basert på hvor mange baner de trenger for å fullføre oppdraget?
"I hvelvet med all elektronikken kan være et ganske varmt sted, og noen instrumenter er litt bedre når det er kaldt."
SB: Det er riktig. Så det var slik vi tok det valget. De trengte åpenbart litt beskyttelse mot Jupiters stråling, så det er små bokser rundt seg, men ikke som det gigantiske hvelvet. Det er også noen andre grunner til at de ikke er i hvelvet. Det er noen fordeler med å flytte dem ut. I hvelvet med all elektronikken kan være et ganske varmt sted, og noen instrumenter er litt bedre stilt når det er kaldt. Så det er forskjellige handler som har gått. Men du har karakterisert det godt i den forstand at vi ikke er påkrevd for å tilfredsstille vitenskapsmålene for å få dem til å vare hele oppdraget. Men min forventning er at det er fordeler hvis de varer lenger, så vi har håp når vi designet dem at de ville vare lenger.
EG: Scott, hva er din formelle tittel på NASA?
SB: Offisielt heter det Hovedetterforsker. Så jeg er hovedetterforsker for Juno-oppdraget. Det er en offisiell tittel som bare betyr noe for NASA-folk ganske mye.
EG: Så du har vært med på misjonsdesignet helt fra begynnelsen av Juno?
SB: Å ja. Jeg skapte på en måte hele saken, eller hele prosessen. Hva hovedforsker betyr for den gjennomsnittlige personen er jeg ansvarlig for Juno. For alt og noe som er forbundet med Juno, er jeg ansvarlig for suksessen. Enten det er design, prosjektering, vitenskap, å få det bygget på tid, bruke for mye penger, timeplanen, alt det slags. En annen måte å si det på er at hvis noe går galt, er jeg den som får skylden [latter.]
EG: Vel, jeg tror mye av det kommer til å gå riktig [latter.] Så, som meg selv, må du være veldig ivrig på å forvente at Juno kommer til Jupiter. Hva er den mest interessante og spennende delen av Junos oppdrag, hvis du måtte velge en ting? Jeg er sikker på at det er nesten umulig å svare på. Og hva kan være en overraskelse for deg? Når vi ser på New Horizons ankomst til Pluto og de overraskende tingene vi fant der, eller Cassini finner isgeiser, ser det alltid ut til å være en overraskelse som venter på oss. Hva synes du er mest spennende med Juno, eller hva synes du kan være et overraskende funn?
"... den spennende delen av Juno er at vi skal et sted som ingen noen gang har gått før."
SB: Vel, etter definisjonen av overraskelse, kan jeg ikke gjette. Ingen av disse tingene kunne forventes, og det var derfor de var overraskelser. Men du vet, den spennende delen av Juno er at vi skal et sted som ingen noen gang har gått før. Vi kommer til å gjøre målinger som aldri har blitt gjort. Vi har instrumenter som rett og slett aldri har blitt laget før, enn si å få dem inn i denne unike orbitale geometrien der du kan gjøre spesielle målinger. Så jeg tror forventningen om å lære noe helt nytt som vil overraske oss er den spennende delen.
Hva skal vi virkelig lære at kommer til å endre ideene våre om hvor vi kom fra og hvordan vi kom hit? Hvordan er Jupiter egentlig? Det er så mange gåter om det, og det er så viktig. Selv i dag, tingene vi har lært om vårt eget solsystem, og de tingene vi har lært om andre solsystemer som vi har kunnet begynne å se ekso-planeter, har bare gjort Jupiter enda viktigere for oss. Det holder virkelig nøkkelen, og jeg synes den spennende delen er at vi endelig kommer til å låse opp en av dørene til disse hemmelighetene. Vi hjelper deg med å lage veien for fremtidige oppdrag for å lære enda mer.
Den andre tingen jeg synes er spennende er selv om jeg er det som kalles Principal Investigator, og hvis du spør NASA hva det betyr og de forteller deg at jeg er ansvarlig for alt, er den virkelige sannheten at det ikke er én person. Det er et enormt team som fikk dette til å skje. Det hjalp til med å designe det, som skapte en måte å gjøre det på, som forsto begrensningene, som forsto hvordan det kunne fungere, som fant ut teknologiene vi trengte for å få det til å skje, og som i utgangspunktet hadde visjonen om å skape det, og hadde evne til å implementere den og bringe den visjonen til virkelighet. Jeg er spent på at jeg er en del av dette teamet av mennesker som oppnår dette, og at det teamet faktisk bare er en del av samfunnet og menneskeheten vår, som alt når ut til å prøve å finne ut av ting. Ting som hvordan vi passer inn i naturen og hvordan universet fungerer. Jeg er bare generelt spent på å være en del av noe som prøver å gjøre noe sånt.
EG: Det er kjempebra, og jeg er helt enig med ordene dine, og jeg synes det er spennende for meg selv og for lesere av Space Magazine. Det er et enormt oppdrag, og vi kan ikke vente med å begynne å få noen resultater tilbake. Og litt bilde. Det er superspennende.
SB: Jeg også. [latter]
EG: Takk for at du tok deg tid til å snakke med meg i dag Scott. Forhåpentligvis kan vi snakke igjen. Jeg vet at folk er veldig interessert i Juno-oppdraget.
SB: Værsågod. Ha en fin dag.
