De Juno Missie bij Jupiter – achtergronden

Juno bij Jupiter

Artist impression van De Juno-sonde bij Jupiter (credit:NASA/Caltech)

Al sinds Galileo in 1610 Jupiter en zijn vier grootste manen door een telescoop bestudeerde zijn we in de ban van deze planeet. De laatste veertig jaar hebben al verschillende ruimtevaartuigen een bezoek gebracht aan het Jupitersysteem. Het merendeel waren scheervluchten. Met uitzondering van de Galileo-sonde waren er verschillende ruimtevaartuigen die, als onderdeel van hun missie een bezoek brachten aan de planeet voordat ze verder het zonnestelsel invlogen naar hun volgende bestemming.

De Juno-missie, die op 5 augustus 2011 werd gelanceerd heeft een heel ander doel. De verkenner is met een heel scala aan wetenschappelijke instrumenten uitgerust die de atmosfeer en de magnetosfeer van de planeet gaan onderzoeken. Daarnaast onderzoekt de Juno weerpatronen en hoopt men dat de verkenner een licht kan werpen op het ontstaan van de planeet. Juno zal de komende twee jaar exclusief onderzoek verrichten aan de gasreus.

Als Juno succes heeft zal het de enige missie zijn die langere tijd Jupiter zal onderzoeken. Vergeleken met de Galileo-sonde, die in totaal 7 jaar lang onderzoek deed aan de planeet en zijn manen, duurt de Juno-missie slechts twee jaar maar de verkenner is uitgerust met geavanceerde instrumenten die in twee jaar tijd enorm veel gegevens naar de Aarde zullen sturen. Na twee jaar, als tenminste er geen uitbreiding van de missie plaatsvindt, zal de Juno in februari 2028 op Jupiter te pletter slaan.

Achtergrond

De Juno-missie maakt deel uit van het New Frontiers-programma van de NASA. Dit programma omvat middelgrote missies die de verschillende hemellichamen van ons zonnestelsel moeten bestuderen. Juno is één van de die verkenners die de NASA in het kader van dit programma op dit moment in bedrijf heeft. De andere twee zijn de New Horizons, die in 2015 een scheervlucht maakte langs Pluto en de OSIRIS-Rex-missie die in 2020 een bezoek zal brengen aan asteroïde 101955 Bennu en daar materiaal zal verzamelen en dat terug zal brengen naar de Aarde.

Tijdens een studie die de NASA in 2003 heeft uitgevoerd werden bestemmingen in het zonnestelsel bekeken die de moeite waard waren om te bezoeken. Dit leidde tot het New Frontiersprogramma waarin Jupiter als een van de objecten werd benoemd die bezocht moesten worden omdat de wetenschap nog genoeg onbeantwoorde vragen had over de planeet.

Zo weet men nog steeds niet of Jupiter een centrale kern heeft of niet. Dit is belangrijk om het ontstaan van de planeet te kunnen verklaren. Ook wil men weten of en hoeveel water er in de atmosfeer voorkomt en wil men meer inzicht krijgen in de weersystemen van de planeet en wil men weten wat de herkomst is van het magneetveld en het plasma dat de planeet omringd. In 2005 werd de Juno-missie, samen met de New Horizons-missie en de OSIRIS-REx-missie gekozen in het kader van het New Frontiersprogramma.

De planning was dat de Juno in 2009 gelanceerd zou worden maar budgettaire problemen bij de NASA leidden tot een vertraging tot augustus 2011. Juno is vernoemd naar de Romeinse godin Juno. Zij was de vrouw van Jupiter (het Romeinse equivalent van de Griekse oppergod Zeus). Juno was in staat om door de sluier van wolken te kijken die Jupiter altijd om zichzelf heen trok. Juno is ook een acroniem voor Jupiter Near-polar Orbiter.

Missie

De Juno-missie is voor één specifiek doel ontworpen: het onderzoeken van Jupiter om zo meer te leren over het ontstaan van het zonnestelsel. Al een tijdje weten astronomen dat Jupiter een belangrijk rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van het zonnestelsel. Net zoals de andere gasplaneten is Jupiter in een vroeg stadium ontstaan net voor de Zon de kans had om de lichte gassen in de enorme wolk waarin het zonnestelsel ontstond, zelf te absorberen of juist weg te blazen.

De samenstelling van Jupiter kan ons dus heel veel leren over het jonge zonnestelsel. Daarnaast denkt men dat de grote gasreuzen een belangrijke rol hebben gespeeld in het ontstaan van de andere planeten omdat hun grote massa bepalend is voor de banen van andere objecten zoals planeten, asteroïden en kometen.

Echter planeetonderzoekers weten nog lang niet alles over deze grote gasreus. Er is weinig bekend over de inwendige opbouw en samenstelling van de planeet. Ook weet men niet hoe het magneetveld eigenlijk wordt aangedreven. Omdat Jupiter tegelijkertijd met de Zon is ontstaan is hun chemische samenstelling ongeveer hetzelfde maar recent onderzoek heeft wel aangetoond dat Jupiter meer zware elementen, zoals koolstof en stikstof, bezit dan de Zon

Ook zijn er nog onbeantwoorde vragen over wanneer en waar de planeet precies is ontstaan. Het is mogelijk dat de planeet in zijn huidige baan is ontstaan maar er zijn sterke theorieën die zeggen dat de planeet verder weg van de Zon is ontstaan en daarna naar binnen is gemigreerd. Astronomen hopen dat de Juno-missie een antwoord zal vinden op al deze vragen.

Juno werd op 5 augustus 2011 gelanceerd en heeft er een reis van vijf jaar op zitten als de verkenner op 4 juli 2016 bij de planeet arriveert. Eenmaal in een baan om Jupiter zal de verkenner gedurende de komende twee jaar in totaal 37 keer over de polen van de planeet draaien waarbij de wetenschappelijke instrumenten proberen te ontdekken wat er zich onder het wolkendek bevindt.

Instrumenten

De Juno is uitgerust met acht verschillende wetenschappelijke instrumenten die de atmosfeer en magnetosfeer van de planeet bestuderen. Daarnaast zijn er instrumenten die het magneetveld en het zwaartekrachtsveld gaan onderzoeken. Een instrument dat zich over het weersysteem van de planeet ontfermt en instrumenten die zijn ontworpen om de interne opbouw en het ontstaan van Jupiter te bestuderen.

Gravity Science

Dit instrument maakt gebruik van radiogolven en bepaalt het Doppler-effect. De verkregen informatie kan gebruikt orden om de verdeling van de massa in het binnenste van Jupiter te bepalen en zo een kaart van de zwaartekracht op te stellen. Kleine verschillen in zwaartekracht die optreden in de baan van de verkenner zullen leiden tot hele kleine verschillen in snelheid.

JunoCam

JunoCam is de telescoop/camera van de Juno die in zichtbaar licht foto’s maakt Het is het enige instrument aan boord dat foto’s kan maken. Deze foto’s zijn voornamelijk bedoeld door het grote publiek en voor onderwijsdoeleinden. De camera zal schitterende opnames van van Jupiter en het zonnestelsel maar zal slechts zeven omwentelingen actief zijn. Dit heeft te maken met de sterke straling van Jupiter en het sterke magneetveld die de camera na verloop van tijd zullen beschadigen.

Jovian Auroral Distribution Experiment (JADE)

Dit instrument is uitgerust met detectoren voor energetische deeltjes. Hiermee wordt de verdeling, de energie en de snelheid van laag energetische ionen en elektronen in de aurora van Jupiter gemeten.

Jovian Energetic Particle Detector (JEDI)

Deze detector doet hetzelfde als JADE maar meet dan alleen de hoog energetische deeltjes in de magnetosfeer van de planeet.

Jovian Infrared Aural Mapper (JIRAM)

Dit instrument doet zijn werk op infrarode golflengtes waarbij het de bovenste lagen van de atmosfeer van Jupiter onderzoekt. Door de warmte te meten die de planeet verlaat wil men onderzoeken hoe waterrijke wolken onder het oppervlak kunnen bewegen. Ook zal het de verdeling van methaan, waterdamp, ammoniak en fosfine in de atmosfeer van Jupiter kunnen bepalen.

Magnetometer

Dit instrument is ontworpen om het magneetveld van Jupiter in kaart te brengen en de dynamica in het binnenste van de planeet te meten. Ook kan het een driedimensionale structuur van de magnetosfeer aan de polen maken.

Microwave Radiometer

De Microwave radiometer zal metingen verrichten aan elektromagnetische golven die door de atmosfeer van de planeet komen. Ook kan het instrument de hoeveelheid water en ammoniak in de diepere lagen van de planeet bepalen. Op deze manier kan een temperatuurprofiel worden opgesteld op verschillende niveaus en kan men bepalen hoe diep de bewegingen van de atmosfeer van Jupiter zijn.

De Radio and Plasma Wave Sensor (RPWS)

Dit instrument meet de radio- en plasma spectra in de aurora van Jupiter. Het zal de gebieden bepalen in d eaurora die de radiostraling van de planeet bepalen en verantwoordelijk zijn voor de versnelling van deeltjes in de aurora.

Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVS)

De UVS meet de golflengte, positie en aankomsttijd van gedetecteerde ultraviolette fotonen waarmee spectraalafbeeldingen in het UV van de emissies van de aurora in de magnetosfeer van de polen gemaakt kunnen worden.

Naast dit wetenschappeljike geweld heeft de Juno ook een plaquette aan boord die is opgedragen aan Galileo Galilei. Deze plaquette is gemaakt door het Italiaanse ruimtevaartagentschap en bestaat uit een afbeelding van Galileo en een stuk tekst opgesteld door Galileo zelf waarin hij de eerste waarneming van Jupiter en zijn vier grootste manen beschrijft. Deze tekst is in het Italiaans en opgesteld in Galileo’s eigen handschrift:

De Galileo plaquette aan boord van de Juno

De Galileo plaquette aan boord van de Juno ruimtesonde. Credit: NASA/JPL-Caltech/KSC

“Op de 11-de was het in deze formatie, en de ster het dichtste bij Jupiter was de helft van de grootte van de andere en ze waren erg dicht bij elkaar zodat gedurende eerdere nachten alle drie deze sterren even groot leken en even ver van elkaar vandaan; het is dus duidelijk dat er rond Jupiter er drie bewegende sterren zijn die tot dusver voor iedereen onzichtbaar waren.”

Juno heeft ook drie Lego-figuurtjes mee die Galileo, de Romeinse god Jupiter en zijn vrouw Juno voorstellen. De figuur Juno heeft een vergrootglas vast als teken dat ze naar de waarheid zoekt en Jupiter heeft een bliksemschicht vast. Galileo Galilei heeft zijn beroemde telescoop bij zich. Lego maakte deze figuurtjes uit aluminium in plaats van het gebruikelijke ABS-kunststof om er zeker van te zijn dat ze bestand waren tegen de extreme condities van de ruimtevlucht.

Lego aan boord van Juno

De drie door Lego gemaakte figuren aan boord van de Juno-sonde

Lancering

De Juno-missie werd op 5 augustus 2011 gelanceerd vanaf de lanceerbasis Cape Canaveral. De draagraket was een Atlas V raket. Ongeveer 1 minuut en 33 seconden na de lancering waren de vijf Sold Rocket Boosters uitgebrand en vielen deze terug naar de Aarde. Na 4 minuten en 26 seconden werd de hoofdmotor van de Atlas V afgestoten en 16 seconden later volgde de scheiding van de Centaur raket.

Deze Centaur raket deed gedurende 6 minuten zijn werk waardoor hij in zijn initiële parkeerbaan terecht kwam. Na ongeveer 30 seconden werd de raket voor de tweede maal ontstoken, nu gedurende 9 minuten waardoor de Juno in een koers kwam om de Aardbaan te verlaten. Ongeveer 54 minuten na de lancering maakte de Juno zich los van de Centaur en werd er een begin gemaakt met het uitvouwen van de zonnepanelen.

Een jaar na de lancering, dit was tussen augustus en september 2012, werden er twee zogenaamde deep space manoeuvres uitgevoerd om de richting van de Juno te corrigeren. De eerste correctie (DSM-1) werd op 30 augustus 2012 uitgevoerd. Tijdens DSM-1 werd de hoofdmotor gedurende 30 minuten ontstoken waarbij de snelheid toenam met ongeveer 1396,8 km/u.

De tweede correctie (DSM-2) vond plaats op 20 augustus 2012. Ook tijdens DSM-2 werd de hoofdmotor gedurende 30 minuten ontstoken en veranderde de snelheid met ongeveer 1396,8 km/u. De twee correcties werden uitgevoerd toen de verkenner zich op een afstand van ongeveer 480 miljoen kilometer van de Aarde bevond en ze veranderden de snelheid van de Juno dusdanig dat die in een baan om Jupiter kon komen waarbij tijdens een scheervlucht langs de Aarde gebruik werd gemaakt van de zwaartekracht van de Aarde.

Scheervlucht langs de Aarde

De scheervlucht van de Juno langs de Aarde vond plaats op 9 oktober 2013, dit was nadat de Juno een complete elliptische ronde om de Zon had afgelegd. Tijdens de dichtste nadering bevond de Juno zich op een hoogte van slechts 560 kilometer. De scheervlucht van de Juno langs de Aarde zorgde voor een toename van de snelheid van de verkenner die groot genoeg was om de Juno definitief richting Jupiter te sturen. Door de scheervlucht langs de Aarde nam de snelheid van de Juno toe met 14162 km/u.

Tijdens de scheervlucht maakte het Magnetic Field Investigation (MAG) instrument van de Juno enkele lage resolutie opnames van de Aarde en de Maan. De opnames werden gemaakt vanaf een afstand van 966.000 kilometer van de Aarde.

De scheervlucht werd ook gebruikt als een oefening voor het team van onderzoekers. Er werden enkele instrumenten getest en er werden procedures gecontroleerd die tijdens de aankomst van de Juno bij Jupiter ook toegepast moeten worden.

De ontmoeting met Jupiter

Juno arriveert op 4 juli 2016 bij Jupiter en zal dan beginnen met het uitvoeren van procedures om in een polaire baan om de planeet te komen. Deze baan zal sterk elliptisch zijn. De kleinste afstand tot de polen bedraagt 4300 kilometer en de grootste afstand bedraagt 1.882.700 kilometer waarmee de verkenner voorbij de baan van Callisto komt.

Deze baan zorgt er voor dat de ruimtesonde niet langdurig in contact komt met de stralingsgordels van Jupiter maar toch zeer gedetailleerd de polen van Jupiter, de magnetosfeer en het zwaartekrachtsveld kan bestuderen. Juno zal de komende twee jaar om Jupiter draaien. In totaal 37 rondjes van ieder 14 dagen.

De ruimtesonde heeft al metingen gedaan aan het magneetveld van Jupiter. Deze metingen begonnen op 24 juni toen de Juno de buitengrens van de magnetosfeer raakte. Op 25 juni kwam de Juno in aanraking met de lagere dichtheid de magnetosfeer van de planeet. Dit betekent dat de Jun buiten de invloedssfeer van de Zon is geraakt en zich in de invloedssfeer van Jupiter bevindt. Deze overgang werd door de instrumenten duidelijk gedetecteerd aan de hand van de gemeten deeltjesdichtheid.

Einde van de missie

De Juno-missie zal eindigen in februari 2018 als de verkenner in totaal 37 rondjes om de planeet heeft gedraaid. Dan zal, behoudens eventuele verlengingen van de missie, de verkenner zijn baan verlaten in in de bovenste lagen van de atmosfeer van Jupiter verbranden. Net zoals bij de Galileo-missie wordt dit gedaan om een mogelijke inslag en besmetting met biologisch materiaal van een van de manen van Jupiter te voorkomen.

De Juno-missie wordt geleid door het Jet Propulsion Laboratory (JPL) van de NASA en het Southwest Research Institute (SRI). De Juno-missie is een onderdeel van het New Frontiers Program dat door het Marschl Space Flight Center van de NASA wordt geleid.

Eerste publicatie: 5 juli 2016
Bron: NASA/Space.com/Universetoday/Earthsky