Den intensiva strålningen kring Jupiter har utformat alla aspekter av Juno-uppdraget, särskilt Junos bana. Data visar att det finns ett gap mellan strålningsbanden som omger Jupiter och Jupiters molntoppar. Juno kommer att behöva "truta nålen" och resa genom detta gap för att minimera exponeringen för strålning och för att uppfylla sina vetenskapliga mål. Att komplettera Juno-uppdragets komplexitet är det faktum att rymdskeppets utformning, de vetenskapliga målen och omloppskraven alla formade varandra.
Jag var inte säker på vilken fråga jag skulle starta den här intervjun med: Hur har förhållandena kring Jupiter, särskilt dess extrema strålning, format Junos bana? Eller, hur formade banan för att Juno ska överleva Jupiters extrema strålning Junos vetenskapliga mål? Eller slutligen, hur formade vetenskapsmålen Junos bana?
Scott Bolton, NASA: s huvudutredare för Juno-uppdraget till Jupiter. Bildkredit: NASA
Som ni ser verkar Juno-uppdraget som en gordisk knut. Jag är säker på att alla tre frågor måste ställas och besvaras flera gånger, med svaren som de andra frågorna. För att hjälpa till att lossa denna knut, talade jag med Scott Bolton, NASA: s huvudutredare för Juno-uppdraget. Som den person som ansvarar för hela Juno-uppdraget har Scott en fullständig förståelse för Junos vetenskapliga mål, Junos design och den omloppsbana som Juno kommer att följa runt Jupiter.
T.EX: Hej Scott. Tack för att du tog dig tid att prata med mig idag. Jupiters strålning är en stor fara som Juno måste kämpa med, och Junos titanvalv är utformat för att skydda Junos elektronik. Men Junos omloppsbana är delvis formad av strålningen runt Jupiter. Hur har strålningen kring Jupiter format Junos bana?
"... vi visste att regionen runt Jupiter är riktigt dålig, farlig och hård med strålning ..."
SB: Tja, det begränsade våra val, låt oss säga. Junos omlopp valdes genom en kombination av möjligheterna för vetenskapliga mätningar, som behövde en viss typ av geometri eller plats för rymdskeppet för att utföra, och det faktum att vi var tvungna att undvika så bra vi kunde den mest farliga regionen, i princip, i solsystem. Detta krävde att vi var mycket nära Jupiter och polära i orientering. Vi går över polerna på Jupiter. Och vi visste att regionen runt Jupiter är riktigt dålig, farlig och hård med strålning, men vi hade aldrig gått in där med ett rymdskepp. Så vi är inte riktigt säkra på hur hård det är, eller exakt hur det har formats. Vi har bara några idéer.
Men genom analogier med jorden och genom modellering kunde vi räkna ut ett sätt att uppnå de vetenskapliga mål som vi ville och fortfarande stanna kvar från de värsta regionerna. Juno kommer in över polerna, och kommer att doppa ner mycket nära Jupiter på ett sätt som vi tror kommer att vara mellan strålningsbanden och Jupiters atmosfär i sig.
På jorden finns ett litet fönster mellan våra egna strålningsbälten - som inte är så farliga som Jupiters men formas på liknande sätt - och jordens atmosfär. Det finns ett gap där, och vi har bevis för att det också finns ett gap på Jupiter, och vi tränar den nålen.
T.EX: Var kommer bevisen för den klyftan ifrån, annat än att bara titta på jordens Van Allen-bälten? Fanns det några observationer från någon av NASAs observatorier som visade att det skulle vara ett liknande gap runt Jupiter?
SB: Vi använde radioteleskop som VLS (Very Large Array) och andra radioteleskoper runt om i världen som kan titta på Jupiter, och vid vissa frekvenser ser de vad som kallas synkrotronstrålning. Synkrotronstrålning är elektroner med mycket hög energi som rör sig nära ljusets hastighet och avger radioutsläpp. De avger det i en mycket specifik geometri baserad på relativistisk fysik. Vi kan se det, och det berättar något om hur strålningen formas och hur populationen av högenergi-elektroner fördelas. Det används i modeller, och vi kan indikera att det borde vara lite klyftigt, delvis för att när vi tittar på den strålningen så ser det ut som att det svänger ut eftersom det kommer mycket nära Jupiter. Men vi har en begränsad upplösning, så även om det finns en indikation på att det finns ett gap mellan Jupiter och dess strålningsbälten, finns det inga positiva bevis.
T.EX: Så Juno själv kommer att vara det positiva beviset på att det finns ett gap mellan Jupiter och dess strålningsbälten?
SB: Ja. Och sedan har vi en annan mätning som hjälper oss att förstå detta. Rymdfarkosten Galileo som kretsade om Jupiter i mitten av 90-talet innehöll en sond som gick in i Jupiters atmosfär för att ta reda på vad den var gjord av. Den sonden tog några mätningar med några mycket råa instrument, nästan som Geiger-räknare, och data från dessa mätningar indikerade en topp i strålning och sedan ett gap nära Jupiter. Så det gav oss ytterligare bevis på att det finns ett gap. Även om det är en mycket begränsad datauppsättning, överensstämmer den med modellerna från radioteleskop.
T.EX: Du måste ha haft vissa vetenskapliga mål i åtanke för Juno-uppdraget, så hur har denna förståelse av Jupiters strålningsbälten och den bana som krävs för att undvika dem utformat de vetenskapliga målen för Juno-uppdraget? Tvingade det några mål att helt överges?
"Det var faktiskt de vetenskapliga målen som i princip drev banan."
SB: Nej inte alls. I själva verket var det de vetenskapliga målen som i princip drev banan. Det var vad som fick oss att vilja komma riktigt nära. Frågan var hur nära kan vi få det som är säkert och hur många gånger kan vi kretsa runt? Så jag skulle säga att det som strålningen gör är att det inte ändrade vår bana så mycket som begränsar antalet gånger vi kan kretsa. Så vi hade en begränsad livstid, och på grund av den begränsade livstiden gick vi in i en bana som tillät oss att kartlägga planeten så snabbt som möjligt. Vi vill flyga förbi den mycket nära, på många olika longitud som är jämnt fördelade.
De vetenskapliga målen och strålningsbältenas begränsningar berättade för oss att Juno bara kommer att pågå så länge, så du måste göra kartan klar på en begränsad tid. Så det är lite av en avvägning. Kanske fanns det ett sätt att skydda Juno längre med mer titan, mer skärmning, att hålla sig lite längre, men det blir så dåligt i slutet, att jag inte är säker på om vi skyddade det mer att det skulle hålla längre.
"Hade jag kunnat sätta tillräckligt med bränsle ombord, kunde jag ha ändrat banan mitt i uppdraget ..."
T.EX: Minskar avkastningen, antar jag?
SB: Höger. Så begränsningarna för konstruktionen och praktiken i vad vi kan lansera på en raket är verkligen det som begränsade oss. Hade jag kunnat sätta tillräckligt med bränsle ombord, kunde jag ha ändrat bana mitt i uppdraget så att vi kan hålla längre. Det kräver dock en enorm mängd bränsle. Vad som händer är att när du är nära Jupiter är det inte perfekt symmetriskt, så det börjar ändra formen på Junos bana.
T.EX: Så du skulle behöva göra korrigeringar då för att upprätthålla banan?
SB: Ja, men vi kan inte. Vi har inte tillräckligt med bränsle för att göra något liknande, så du måste leva med vad Jupiter gör mot bana. Så det börjar vrida banan runt, och varje gång vi kommer till Jupiter börjar det att vrida banan lite mer. Vi använder det vetenskapligt lite, men verkligheten är att det bara är något vi måste leva med. För den första halvan av uppdraget, om lägena är korrekta, behöver vi inte ta itu med den maximala mängden strålning, men mot den senare halvan av uppdraget börjar det bli värre. Vi kan inte undvika strålningsbanden så mycket som vi kunde i början. Det är i grunden det som begränsar livstiden för Juno-uppdraget.
T.EX: Så Jupiter påverkar ständigt Junos bana, och du har en begränsad kapacitet att hantera det?
SB: Det stämmer. Det beror på att Jupiter inte är en perfekt sfär.
T.EX: Och ett av målen är att kartlägga Jupiters allvar?
SB: Ja, för att ta reda på hur exakt ofullkomlig en sfär det är [skratt.] Och sedan lära av det om hur det är inre struktur och därmed hur det bildades.
T.EX: Detta verkar vara en bra tid att fråga vad formen på Junos bana är? Hur nära Jupiter kommer den att komma, och hur långt bort kommer den under sin bana?
"... vi är ute i de yttre månarna, nära Callisto eller så."
SB: Det är en ellips, som de flesta omloppsbana, och dess närmaste tillnärmningsplats är cirka 5 000 km (3100 miles) ovanför molntopparna eller så, och det kallas perijove. På den andra sidan är vi ute i de yttre månarna, nära Callisto eller så.
T.EX: Ganska långt bort, då.
SB: Ja, det är ganska långt borta. Det kommer att ta Juno 14 dagar eller så att slutföra en bana. Och då är den andra orienteringen precis över polerna. Rätt över norra och södra polerna. Men vi kommer inte in i den bana omedelbart. Vi måste först avfyra våra raketer och vi kommer in i en mycket större bana som tar ungefär 53 dagar att gå runt, och avståndet vi går bort från Jupiter är så mycket längre. Under de första månaderna har vi tillräckligt med bränsle för att ändra banan för att få vad vi så småningom vill ha, och det tar några månader att göra.
T.EX:Så Juno är också solenergi, annat än sitt bränsle för att byta omloppsbana. Du måste förbli utsatt för solen, så det måste ha varit en extra när du utformade din bana?
"... i allmänhet undviker vi skuggor eller ockultationer av Jupiter."
SB: Ja, det var en extra begränsning i den meningen att jag vill undvika att gå in i skuggan av Jupiter. Jag vill att solpanelerna alltid ska se solen. Vi kan gå korta perioder utan det, men i allmänhet undviker vi skuggor eller ockultationer av Jupiter.
T.EX: Är det en av anledningarna till att banan tar dig så långt från Jupiter? För att undvika att gå in i Jupiters skugga?
SB: Ja det är rätt. Även om du kunde undvika det även om du var så nära, om du kretsade i sidled. Jag behöver inte gå bakom Jupiter, även om banan var liten. Men du måste beräkna allt det och se till.
T.EX: Kommer alla Junos instrument att vara aktiva i alla banor? Eller är några av banorna tillägna vissa sensorer och instrument?
SB: I allmänhet är alla instrument aktiva. Men vi har banor som är inriktade på vissa saker baserade på pekarkrav. Till exempel gravitationsmätningen. När vi vill mäta tyngdkraftsfältet måste vi se till att antennen är riktad mot jorden så mycket som möjligt. Det är så du mäter tyngdfältet, ser du på signalen som Juno skickar tillbaka till jorden, och du mäter Doppler-förskjutningen på radiosignalen och som berättar hur tyngdfältet har tryckt och dragit på Juno.
När vi inte mäter tyngdfältet har vi andra instrument som föredrar att peka direkt mot Jupiter. De kan fortfarande ta data medan vi mäter tyngdfältet, men det är bättre om de pekar direkt mot Jupiter. Vi kan tolerera att eftersom solpanelerna fortfarande är riktade mot solen, och vi fortfarande kan hålla kontakten med rymdskeppet, så kan vi bara inte mäta hela gravitationsfältet.
"... i slutet av uppdraget förväntas inte solcellerna fungera lika bra som i början."
Så vi har några banor som är dedikerade till den geometri. Naturligtvis när vi ägnar oss åt att det brukade vara så att vi bara kan stänga av tyngdkraftssystemet om vi inte använder det. Men jag tror att våra uppskattningar är nu att vår makt är tillräcklig för att vi kanske kan hålla båda på samma gång. Huruvida vi gör det eller inte, det krävs inte, men i slutet av uppdraget förväntas inte solcellerna utföra lika bra som de gör i början.
T.EX: Det är på grund av strålningen? Av samma anledning som elektroniken är känslig kommer solcellerna att brytas ner med tiden?
SB: Det är rätt. Så vi har dem skyddade, men vi vet inte hur bra det fungerar exakt. Vi har det inte i våra planer, men vi kan tillgodose det med tanken att i slutet av uppdraget, om vi inte har tillräckligt med kraft för att köra allt, kan vi börja stänga av några av de instrument som har gjort det mesta av vetenskapen som vi ville att de skulle göra. Vi kan sortera på tur för vilka instrument som är på och vilka inte.
T.EX: Så det ger dig viss uppdragsflexibilitet om strålningen är mer allvarlig än modellering antyder? Har du lite flexibilitet att prioritera i slutet?
SB: Det stämmer. Just nu föreslår våra modeller att vi inte behöver göra det, men vi kan vrida den ratten om vi behöver.
T.EX: Jag undrar över den detaljerade modelleringen som du har gjort för Jupiters strålning och Juno-uppdraget och tittar på informationen som finns på NASA: s webbplatser och andra källor. Det föreslås att alla Junos instrument inte förväntas överleva de 33 banorna, är det rätt? Finns det ett slags bästa fall för instrumentöverlevnad? Jag har läst att JIRAM (Jupiter Infrared Auroral Mapper) och kanske Junocam kanske bara varar tills den åttonde omloppsbana, och mikrovågsradiomätaren kanske bara varar tills bana 11. Är det sånt som ett bästa fall-scenario? Eller mer en mitt i vägmodellen som du följer dessa bana nummer?
SB: Vi hoppas att det är värsta fallet. De är utformade för att överleva det med en faktor på 2 marginal i strålning. Det är förmodligen lite större än en faktor två. Så de borde kunna göra det utan problem. Det skulle vara en överraskning om de inte varade så länge. Vår förväntan är att de antagligen kommer att gå mot slutet av uppdraget. Men jag räknar inte med det och det kräver jag inte. Det kom från det faktum att ett par av dessa instrument inte har sin elektronik i <titanium> valvet.
T.EX: Är det för att de inte behöver alla 33 banor för att fullgöra sitt uppdrag? Prioriteras instrument att vara i titanvalvet baserat på hur många banor de behöver för att slutföra sitt uppdrag?
"I valvet med all elektronik kan det vara ganska varmt, och vissa instrument är lite bättre när det är kallt."
SB: Det är rätt. Så det var så vi gjorde det valet. De behövde uppenbarligen ett visst skydd mot Jupiters strålning, så det finns små lådor runt dem, men inte som jättevalvet. Det finns också några andra skäl till att de inte är i valvet. Det finns vissa fördelar med att flytta ut dem. I valvet med all elektronik kan vara en ganska varm plats, och vissa instrument är lite bättre när det är kallt. Så det finns olika affärer som har pågått. Men du har karakteriserat det väl i den meningen att vi inte krävs för att uppfylla de vetenskapliga målen att de ska hålla hela uppdraget. Men min förväntan är att det finns fördelar om de håller längre, så vi har hopp när vi designade dem att de skulle hålla längre.
T.EX: Scott, vad är din formella titel på NASA?
SB: Officiellt kallas det Principal Investigator. Så jag är den huvudsakliga utredaren av Juno-uppdraget. Det är en officiell titel som bara betyder något för NASA-människor ganska mycket.
T.EX: Så du har varit med på uppdragsdesignen redan från början av Juno?
SB: Åh ja. Jag skapade typ hela saken eller hela processen. Vad huvudutredaren betyder för den genomsnittliga personen är jag ansvarig för Juno. För allt och allt som är förknippat med Juno är jag ansvarig för dess framgång. Oavsett om det är designen, konstruktionen, vetenskapen, få den byggd i tid, spendera för mycket pengar, schemat, allt det där. Ett annat sätt att säga det är att om något går fel, är jag den som får skylden [skratt.]
T.EX: Tja, jag tror att mycket av det kommer att gå rätt [skratt.] Så, precis som jag själv, måste du ganska ivrigt förvänta dig Junos ankomst till Jupiter. Vad är den mest intressanta och spännande delen av Junos uppdrag, om du var tvungen att välja en sak? Jag är säker på att det är nästan omöjligt att svara. Och vad kan vara en överraskning för dig? När vi tittar på New Horizons ankomst till Pluto och de överraskande sakerna vi hittade där, eller Cassini som hittar isgejsare, verkar det alltid vara en överraskning som väntar på oss. Vad tycker du är mest spännande med Juno, eller vad tycker du kan vara ett överraskande resultat?
"... den spännande delen av Juno är att vi åker någonstans som ingen någonsin har gått tidigare."
SB: Med definitionen av överraskning kan jag inte gissa. Ingen av dessa saker kunde förväntas, varför de var överraskningar. Men du vet, den spännande delen av Juno är att vi åker någonstans som ingen någonsin har gått tidigare. Vi kommer att göra mätningar som aldrig har gjorts. Vi har instrument som helt enkelt aldrig har skapats tidigare, än mindre att få dem in i denna unika orbitalgeometri där du kan göra speciella mätningar. Så jag tror att förväntan på att lära sig något helt nytt som kommer att överraska oss är den spännande delen.
Vad ska vi verkligen lära oss som kommer att förändra våra idéer om var vi kom i form och hur vi kom hit? Hur är Jupiter egentligen? Det finns så många pussel om det, och det är så viktigt. Än idag har de saker vi har lärt oss om vårt eget solsystem och de saker vi har lärt oss om andra solsystem, eftersom vi har kunnat börja se exo-planeter, bara göra Jupiter ännu viktigare för oss. Det har verkligen nyckeln, och jag tror att den spännande delen är att vi äntligen kommer att låsa upp en av dörrarna till dessa hemligheter. Vi hjälper oss att göra vägen för framtida uppdrag att lära sig ännu mer.
Det andra jag tycker är spännande är trots att jag heter det som är den huvudsakliga utredaren, och om du frågar NASA vad det betyder och de säger att jag är ansvarig för allt är den verkliga sanningen att det inte är en person. Det är ett enormt team som fick detta att hända. Det hjälpte till att utforma det, som skapade ett sätt att göra det, som förstod begränsningarna, som förstod hur det kunde fungera, som räknade ut teknikerna vi behövde för att få det att hända, och som i princip hade visionen att skapa det och hade förmåga att genomföra den och förverkliga visionen. Jag är upphetsad över att jag är en del av det här teamet av människor som åstadkommer detta, och att det laget faktiskt bara är en del av vårt samhälle och mänskligheten, som alla når ut och försöker ta reda på saker. Saker som hur vi passar in i naturen och hur universum fungerar. Jag är bara generellt glada över att vara en del av något som försöker göra något liknande.
T.EX: Det är fantastiskt och jag håller helt med dina ord, och jag tycker att det är spännande för mig själv och för läsarna av Space Magazine. Det är ett enormt uppdrag, och vi kan inte vänta med att få tillbaka några resultat. Och lite bild. Det är super-spännande.
SB: Jag med. [skratt]
T.EX: Tack för att du tog dig tid att prata med mig idag Scott. Förhoppningsvis kan vi prata igen. Jag vet att människor är mycket intresserade av Juno-uppdraget.
SB: Varsågod. Ha en bra dag.
