משימת ג'ונו התבססה על אותן הצעות קודמות והוגשה בשנת 2004 להתמודדות בתחרות למשימה השנייה של תוכנית הגבולות החדשים, עליה הכריזה נאס"א שנה לפני כן. ביולי 2004, נבחרו שתי הצעות לשלב הסופי - ג'ונו ומונרייז (Moonrise). מונרייז הציעה לשלוח לירח נחתת ושני רוברים ולהחזיר ממנו דגימה לכדור הארץ. ההצעה נראתה מתאימה יותר לאותה תקופה, שכן באותה שנה הכריז הנשיא ג'ורג' ווקר בוש על החזון לחקר החלל לפיו תחזור ארצות הברית לבצע משימות מאוישות לירח. אף על פי כן, נאס"א הכריזה בשנת 2005 על ג'ונו כמנצחת בתחרות, והחלה בפיתוח המשימה.
התכנון המקורי היה לשגר את ג'ונו כבר באמצע 2009, אולם בהמשך יעד השיגור נדחה ל־2011 כדי לעמוד בלוח הזמנים. בניית הגשושית החלה באפריל 2010 על ידי לוקהיד מרטין במתקן של החברה בדנוור. בתחילת 2011, החלה הגשושית לעבור סדרת ניסויים שנועדו לבדוק את מכשיריה השונים ויכולתה לשרוד בתנאים הקיצוניים בחלל. באפריל 2011, כהכנה לשיגורה מנמל החלל קייפ קנוורל באוגוסט, ג'ונו הועברה לעיר טיטוסוויל בפלורידה בסמוך לנמל החלל, שם המשיכה לעבור בדיקות שונות.
צוות המשימה ושיתוף פעולה בינלאומי.
המשימה מנוהלת על ידי המעבדה להנעה סילונית (JPL) של נאס"א. החוקר הראשי של המשימה הוא סקוט ג'. בולטון, חוקר חלל המתמחה במדעים פלנטריים ממכון המחקר הדרום־מערבי בסן אנטוניו שבטקסס. המשימה מבוצעת בשיתוף פעולה עם ארגונים נוספים וכוללת חוקרים מאוניברסיטת הוואי, המכון הטכנולוגי של קליפורניה (קאלטק), אוניברסיטת קולורדו ו"מרכז המדע הפלנטרי" מטוסון, וכן ממרכז טיסות החלל גודרד של נאס"א.
בפיתוח המשימה היה שיתוף פעולה עם גורמים בינלאומיים, והמרכזית בהם היא סוכנות החלל האיטלקית. הסוכנות תרמה לבניית הגשושית חלק ממערכת תקשורת הרדיו שלה וכן ספטקרומטר תת־אדום (ראו JIRAM בפסקת מכשור מדעי). הסוכנות תרמה גם את דיסקית גלילאו שהותקנה בג'ונו לזכר גלילאו גליליי. גם המשרד הפדרלי הבלגי למדיניות מדעית (BELSPO) לקח חלק במשימה ותרם רכיב עבור הספקטרוגרף העל־סגול של ג'ונו (UVS). מבין הצוות המדעי שיוכל להיעזר במידע שתביא ג'ונו, ניתן למנות גם את החוקרת הישראלית למדעים פלנטריים רוית חלד.
עלות.
כחלק מתוכנית הגבולות החדשים של נאס"א, שכוללת משימות בעלות בינונית יחסית - התחרות במסגרתה נבחרה ג'ונו כללה גם מסגרת תקציב של 700 מיליון דולר, לא כולל עלות השיגור לחלל. לאחר הוצאות נוספות שלא תוכננו מלכתחילה, ויחד עם עלות השיגור ותפעול הגשושית עד לסיום משימתה - מוערכת העלות הסופית של משימת ג'ונו בכ־1.1 מיליארד דולר. מחצית מסכום זה שימשה לפיתוח הגשושית ומכשירי המדידה, 184 מיליון עבור השיגור, ויותר מ-300 מיליון דולר עבור תפעול הגשושית ומחקר מדעי לאורך תקופת המשימה.
יעדי המחקר של המשימה.
מטרתה המרכזית של ג'ונו היא להמשיך את המחקר שנעשה על צדק ולהבין טוב יותר את אופן היווצרותו, התפתחותו והרכבו הפנימי. לפי ההיפותזה המקובלת, צדק - שמרבית המסה שלו מורכבת מהגזים הקלים מימן והליום, ובכך הרכבו דומה להרכב הכימי של השמש - נוצר בשלבים הראשונים של היווצרות מערכת השמש. יתר כוכבי הלכת התפתחו בשלבים מאוחרים יותר והושפעו במידה ניכרת מקיומו של צדק, ולכן הבנת תהליכי היווצרותו היא שלב חשוב בהבנת התפתחות מערכת השמש כולה. בנוסף לכך, מכיוון שיותר ויותר כוכבי לכת חוץ־שמשיים מתגלים, ורבים מהם הם ענקי גזים, הבנת מבנהו של צדק ובניית מודל מתמטי המתאר אותו, תאפשר להשתמש בו כאב טיפוס להבנת שאר ענקי הגזים במערכת השמש ובמערכות פלנטריות אחרות.
אחת השאלות המרכזיות לגבי אופן היווצרותו ומבנהו הפנימי של צדק היא שאלת קיום הליבה במרכזו, הרכבה והמסה שלה. לפי מודל אחד צדק נוצר בתהליך של ספיחה על ליבה, בו ליבה ראשונית, שהתגבשה בדיסקה הקדם־פלנטרית שסבבה את השמש הקדומה, ספחה שכבת גז של מימן והליום שעטפה אותה (Core Accretion Model). מודל אחר גורס כי צדק נוצר ללא ליבה ראשונית עקב קריסה כבידתית של גזי מימן והליום, בגלל אי־יציבות כבידתית בדיסקה הקדם־פלנטרית (Disc Instability Model). מודלים אלו מנבאים מסה שונה לליבה של צדק, ולכן מדידת המסה שלה תאפשר אישוש או הפרכה של המודלים השונים. ג'ונו תחקור את הרכבו הפנימי של צדק באמצעות ניסוי כבידתי (ראו ניסוי GS בפסקת מכשור מדעי) שייבחן וריאציות בשדה הכבידתי של צדק, אשר מהן ניתן ללמוד על התפלגותה של מסת צדק. התפלגות המסה בצדק קשורה קשר הדוק למומנט התמד פולרי מנורמל, והמידע שג'ונו צפויה למצוא יעזור לצמצם את אי־הוודאות בו ובכך לשקף את המבנה הפנימי של כוכב הלכת.
משימה מרכזית נוספת של ג'ונו היא למדוד ולהעריך את שיעור המים באטמוספירה של צדק. שיעור המים בצדק הפך לשאלה מרכזית לאחר שהגשושית הקודמת לצדק, גלילאו, שלחה גשוש אל תוך האטמוספירה של צדק ומדדה שיעור מים נמוך מאוד, בניגוד להשערות החוקרים. אחד ההסברים המקובלים לתעלומה זו הוא שהגשוש נכנס לתוך "נקודה חמה" (Hot Spot) באטמוספירה, בה שיעור המים נמוך ביחס ליתר המקומות (בדומה למדבר בכדור הארץ). בניגוד לגלילאו, ג'ונו לא תחקור את האטמוספירה במקום ספציפי, אלא באמצעות מדידת קרינת גלי המיקרו שפולט צדק, מה שיאפשר לחוקרים לחקור את האטמוספירה הפנימית, מעבר למעבה העננים, עד לעומקים שבהם הלחץ גבוה יותר מ־100 בר (בר אחד קרוב בערכו ללחץ בגובה פני הים בכדור הארץ).
מדידת שיעור המים תאפשר להבין טוב יותר את התפקיד של פלנטיסימלים בהיווצרות מערכת השמש. לפי מודלים שמתארים את היווצרות מערכת השמש, לפלנטיסמלים שנוצרו על ידי מים שקפאו במרחק גדול מספיק מהשמש (מעבר ל"קו השלג"), היה תפקיד מרכזי בהעברת יסודות כבדים וחומרים נדיפים (Volatiles), כמו מים, אל כוכבי הלכת במערכת השמש, ובכללם כדור הארץ. נתון שמתאים להשערה זו הוא השיעור הגבוה בצדק של יסודות כבדים כגון ארגון וחנקן, שמדד הגשוש ששלחה גלילאו אל תוך צדק, מכיוון שפלנטיסימלים יכלו להעשיר את צדק ביסודות אלו. אולם במקרה כזה יש לצפות גם לשיעור מים גבוה בצדק, דבר שלא נמדד על ידי הגשוש, ולכן ג'ונו תבצע מדידה גלובלית של שיעור המים. מדידת המים תאפשר גם לאשש או להפריך מודלים שונים לגבי מיקום היווצרותו של צדק - כאשר לפי חלק מהמודלים צדק לא נוצר במיקומו הנוכחי אלא נדד פנימה.
ג'ונו תחקור גם את הדינמיקה והעומק של התופעות המטאורולוגיות המרשימות הנראות על פניו. מדידת העומק של אותן תופעות תאפשר להבין כיצד חלקן מסוגלות להימשך מאות שנים, כגון הכתם האדום הגדול, סופה ענקית בצדק שנצפתה לראשונה לפני יותר מ־300 שנה.
יעד מחקר נוסף של משימת ג'ונו הוא לחקור ולמפות את השדה המגנטי העצום של צדק ואת המגנטוספירה שלו, האזור בחלל שמושפע מהשדה המגנטי, אשר משתרכת לאורך מיליוני קילומטרים. באמצעות חקר השדה המגנטי, ג'ונו תאפשר להבין טוב יותר כיצד פועל תהליך הדינמו שיוצר אותו: בדומה לכדור הארץ, השדה המגנטי של צדק נוצר על ידי תנועה של מוליך חשמלי בתוך כוכב הלכת. אולם בניגוד לכדור הארץ, בו החומר המוליך הוא ברזל מותך בליבה החיצונית, בצדק החומר המוליך הוא מימן, שעקב הלחץ העצום במעמקי כוכב הלכת הופך למימן מתכתי שמתנהג כמוליך. ג'ונו תחקור גם את תופעת זוהר הקוטב בקטביו של צדק, שנוצרת על ידי השדה המגנטי שלו.
מהלך המשימה.
שיגור הגשושית.
ג'ונו שוגרה לחלל מנמל החלל קייפ קנוורל בפלורידה ב־5 באוגוסט 2011 על גבי משגר אטלס 5 מדגם 551, הדגם הכבד ביותר של המשגר. המשגר המריא עם הצתת השלב הראשון שלו שכלל מנוע רקטי יחיד מסוג RD-180 המשתמש בדלק נוזלי, יחד עם חמש רקטות האצה שפועלות על דלק מוצק. רקטות ההאצה פעלו ב־90 השניות הראשונות של השיגור ולאחר מכן נפרדו מהמשגר ונפלו ארצה, בזמן שהשלב הראשון המשיך לפעול לכ־3 דקות נוספות. לאחר מכן גם הוא התנתק ונפל, והשלב העליון מסוג קנטאור החל לבעור למשך 6 דקות, והציב את הגשושית במסלול לווייני נמוך סביב כדור הארץ. חצי שעה לאחר מכן הוצת מחדש המנוע של הקנטאור, על מנת להאיץ את הגשושית למהירות המילוט הנחוצה כדי להשתחרר מכוח המשיכה של כדור הארץ ולעבור למסלול הליוצנטרי סביב השמש. לאחר מכן נפרדה הגשושית משלב הקנטאור ופרסה את שלושת הלוחות הסולאריים שלה.
יעף בקרבת כדור הארץ.
על אף שאטלס 5 הוא אחד המשגרים הכבדים ביותר שנמצאים בשימוש, הוא לא היה חזק מספיק על מנת לשגר את הגשושית במסלול ישיר לצדק. על מנת להגיע ליעדה, כוונה הגשושית למסלול ראשוני שהגיע אל מעבר למסלולו של מאדים והחזיר את ג'ונו לכדור הארץ על מנת לבצע בקרבתו יעף ב־9 באוקטובר 2013. שיטה זו מכונה מקלעת כבידתית, ובמסגרתה השתמשה הגשושית בכוח הכבידה של כדור הארץ על מנת להאיץ את מהירותה למהירות של כ־140,000 ק"מ בשעה (כ־39 ק"מ בשנייה), ביחס לשמש. בנוסף, היעף אפשר למדענים לבחון חלק מהמכשור המדעי של הגשושית.
באופן בלתי מתוכנן, נכנסה הגשושית במהלך היעף ל"מצב בטוח" לזמן קצר. הסיבה לכך הייתה תקלה בהגדרות ההגנה האוטומטית על הסוללות מפני הספק חשמלי נמוך, אף על פי שמחסור קצר באור שמש שיגרום לכך היה מתוכנן כחלק מן היעף. אולם הגשושית לא ניזוקה, והחלה שיוט שקט של כ־3 שנים אל עבר צדק.
מסלול סביב צדק והשלב המדעי.