Utforskning av Jupiter

Utforskning av Jupiter har hittil blitt gjennomført via nære observasjoner av robot-romsonder. Det begynte med ankomsten av Pioneer 10 til det jovianske systemet i 1973, og som per 2008 har fortsatt med ytterligere syv sondeoppdrag. Alle disse oppdragene ble foretatt av NASA, og alle bortsett fra én har vært forbipasseringer som har utført detaljerte observasjoner uten at sonden landet eller gikk inn i bane. Disse sondene gjør Jupiter til den mest besøkte av solsystemets ytterste planeter. Planer for ytterligere oppdrag til det jovianske systemet er under utvikling, men ingen er lagt opp til å ankomme planeten før i 2016. Å sende et fartøy til Jupiter innebærer mange tekniske vanskeligheter, spesielt på grunn av sondenes store drivstoffbehov og effekten av planetens tøffe strålingsmiljø.

Det første romfartøyet som besøkte Jupiter var Pioneer 10 i 1973, etterfulgt av Pioneer 11 et par måneder senere. I tillegg til å ta de første nærbildene av planeten oppdaget disse sondene dens magnetosfære og dens store flytende indre. Voyager 1 og Voyager 2-sondene besøkte planeten i 1979 og studerte månene og ringsystemet og oppdaget vulkansk aktivitet på Io og forekomster av vannholdig is på overflaten av Europa. Romsonden Ulysses studerte Jupiters magnetosfære i 1992 og så igjen i 2000. Cassini-sonden ankom planeten i 2000 og tok svært detaljerte bilder av atmosfæren. Romfartøyet New Horizons passerte Jupiter i 2007 og foretok forbedrete målinger av planetens og månenes parametre.

Romsonden Galileo er den eneste som faktisk har gått inn i en bane rundt Jupiter da den gikk inn i bane i 1995 og studerte planeten frem til 2003. I løpet av denne perioden samlet Galileo store mengder informasjon om det jovianske systemet, gjorde tilnærminger til alle de fire store galileiske månene og fant bevis for en tynn atmosfære på tre av dem, så vel som muligheten for flytende vann under overflatene. Den oppdaget også et magnetisk felt rundt Ganymedes. Da den ankom Jupiter ble den også vitne til nedslaget av Shoemaker-Levy 9. I desember 1995 slapp den ned en sonde i den jovianske atmosfæren, og er per 2011 det eneste fartøyet som har gjort det.</noinclude>Fremtidige sonder planlagt av NASA inkluderer romfartøyet Juno, som ble skutt opp i 2001 og vil gå inn i polar bane rundt Jupiter for å fastslå om den har en kjerne av stein, og Europa Jupiter System Mission, som er planlagt skutt opp en gang rundt 2020 og vil ta del i den utvidete studien av planetens månesystem, spesielt Europa og Ganymedes, og avgjøre den vitenskapelige debatten som har pågått over lang tid om det finnes hav av flytende vann under Europas isete overflate. Noen NASA-administratorer har også spekulert i muligheten for en bemannet utforskning av Jupiter, men slike oppdrag anses ikke mulig med dagens teknologi.

Tekniske krav 
Flyreiser fra jorden til andre planeter i solsystemet krever mye energi. Det kreves nesten samme mengde energi for et romfartøy å nå Jupiter fra jordens bane som det gjør å løfte den opp i bane i utgangspunktet. I astrodynamikken er dette energiforbruket definert av netto endring i sondens hastighet, eller delta-V (∆V). Energien som trengs for å nå Jupiter fra en bane rundt jorden er en ∆V på ca. 9 km/s, sammenlignet med de 9,0–9,5 km/s som kreves for å nå en lav jordbane fra bakken. Gravitasjonsslynger gjennom en planetarisk forbiflyvning (som forbi jorden eller Venus) kan imidlertid brukes for å redusere energibehovet (det vil si drivstoff) ved oppskytning, men på bekostning av en betydelig lengre varighet på flyvningen for å nå mål som Jupiter sammenlignet med en direkte bane. Ionemotorer i stand til en delta-v på mer enn 10 km/s ble brukt på romsonden Dawn, og dette er mer enn nok delta-v til å gjennomføre et forbiflyvningsoppdrag fra en solar bane av samme radius som jordens bane uten gravitasjonsslynge.

Jupiter har ingen fast overflate hvor sondene kan lande siden der er en jevn overgang mellom planetens atmosfære og det flytende indre. En sonde som blir sendt ned i atmosfæren vil etter hvert knuses av det enorme trykket i Jupiter.

Et annet problem er strålingsmengden som sondene blir utsatt for på grunn av det harde ladete partikkelmiljøet rundt Jupiter (for detaljert forklaring, se Jupiters magnetosfære). For eksempel, da Pioneer 11 gjorde sin første tilnærming mot planeten var strålingsnivåene ti ganger kraftigere enn Pioneers designere hadde forutsett, og det førte til frykt for at sonden ikke ville overleve; men med litt hell klarte sonden å passere gjennom strålingsbeltene. Sonden mistet imidlertid de fleste bildene av Io siden strålingen førte til at Pioneers fotopolarimeter fikk en rekke falske kommandoer.

Den etterfølgende og langt mer teknologisk avanserte Voyager-sonden måtte designes på nytt for å kunne takle de massive strålingsnivåene. I løpet av de åtte årene Galileo-sonden gikk i bane rundt planeten ble den utsatt for langt stråling enn hva den var spesifisert for og systemene feilet ved flere anledninger. Romsondens gyroskop sendte ofte ut økte feil og lysbuer oppstå noen ganger mellom dens roterende og ikke-roterende deler og forårsaket at den gikk i safe mode. Dette førte til fullstendig tap av data fra det 16. 18. og 33. omløpet. Strålingen forårsaket også faseendringer i Galileos ultrastabile kvartsoscillator.

Forbiflyvningsoppdrag

Pioneer-programmet (1973 og 1974)

Utdypende artikkel: Pioneer-programmet, se også: Pioneer 10 og Pioneer 11
Den første romsonden til å utforske Jupiter var Pioneer 10 som fløy forbi planeten i desember 1973, etterfulgt av Pioneer 11 tretten måneder senere. Pioneer 10 tok de første nærbildene av Jupiter og de galileiske månene noen sinne; romsonden studerte planetens atmosfære, oppdaget magnetfeltet, observerte strålingsbeltene og fastslo at Jupiter hovedsakelig var flytende. Pioneer 11 var på det nærmeste ca.  km fra Jupiters skytopper 4. desember 1974. Den tok dramatiske bilder av den store røde flekken, gjorde de første observasjoner av Jupiters enorme polområder og fastslo massen til Jupiters måne Callisto. Informasjonen som disse sondene samlet inn hjalp astronomene med å forbedre designet på senere sonder slik at de kunne takle miljøet rundt planeten mer effektivt.

Voyager-programmet (1979)Utdypende artikkel: Voyager-programmet, se også: Voyager 1 og Voyager 2Voyager 1 begynte å fotografere Jupiter i januar 1979 og gjorde sin nærmeste passering 5. mars 1979 i en avstand av  km fra Jupiters sentrum. Den nære passeringen tillot høyere bildeoppløsning enn Pioneer-sondene. Det meste av observasjonene av Jupiters måner, ringer, magnetfelt og strålingsmiljø ble gjort på 48 timer, selv om Voyager 1 fortsatte å fotografere planeten frem til april. Voyager 2 foretok sin nærmeste passeringen 9. juli 1979, 57,6 millioner kilometer fra planetens skytopper. Sonden oppdaget Jupiters ringer, observerte intrikate virvler i atmosfæren, aktive vulkaner på Io, en analog prosess til platetektonikk på Ganymedes og en rekke kratre på Callisto.Voyager-oppdragene utvidet forståelsen av de galileiske måner betydelig. De oppdaget Jupiters ringer, tok de første nærbildene av planetens atmosfære og avslørte den store røde flekken som en kompleks storm som beveger seg i motsatt retning av planeten. En rekke andre mindre stormer og virvler ble funnet i de stripete skyene (se animasjon til høyre). To nye små satellitter, Adrastea og Metis, ble oppdaget å gå i bane like utenfor ringen, og var de første av Jupiters måner som ble identifisert med et romfartøy. En tredje ny satellitt, Thebe, ble oppdaget mellom banene til Amalthea og Io.

Oppdagelsen av vulkansk aktivitet på månen Io var den største overraskelsen. Det var første gang en aktiv vulkan ble observert på et annet himmellegeme enn jorden. Utbrudd ble registrert fra ni vulkaner på Io i tillegg til andre utbrudd som oppstod mellom de to Voyager-oppdragene.

Europa viste en høyt antall lineære formasjon på lavoppløste bilder fra Voyager 1. I starten trodde forskerne formasjonene kunne være dype sprekker forårsaket av rifter i skorpen eller tektoniske prosesser. Høyoppløste bilder fra Voyager 2, tatt nærmere Jupiter, gjorde forskerne betenkte siden de nesten var fullstendig fraværende i topografiske reliefer. Noen foreslo at sprekkene kunne tilsvare isflakene på jorden, og at Europa kunne ha flytende vann i det indre. Europa kan ha et aktivt indre på grunn av tidevannsoppvarming på et nivå omtrent én tiendedel av Io, og som et resultat av dette antas det at månen har en tynn skorpe av is – mindre enn 30 km – som muligens flyter på et 50 km dypt hav.

Ulysses (1992)

8. februar 1992 fløy Ulysses-sonden forbi Jupiters nordpol i en avstand av  km. Denne manøveren var nødvendig for at Ulysses skulle få en bane med svært høy inklinasjon rundt solen, og økte inklinasjonen mot ekliptikken til 80,2 grader. Kjempeplanetens gravitasjon bøyde romsondens flybane nedover og bort fra det eklipiske planet og plasserte det i en endelig bane rundt solens nordlige og sørlige poler. Størrelsen og formen på sondens bane ble justert til en mye mindre vinkel slik at aphelium forble ved omtrentlig 5 AE (Jupiters avstand fra solen), mens perihelium lå noe utenfor 1 AE (jordens avstand fra solen). Under møtet med Jupiter foretok sonden målinger av planetens magnetosfære, men siden sonden ikke var utstyrt med kamera ble det ikke tatt noen bilder. I februar 2004 kom sonden igjen i nærheten av Jupiter. Avstanden var denne gangen mye større &ndash, ca. 240 millioner km, men det ble gjort ytterligere observasjoner av Jupiter.

 Cassini (2000) 

I 2000 fløy Cassini-sonden forbi Jupiter på sin ferd mot Saturn og tok noen av de mest detaljerte bildene av planeten noen sinne tatt. Den foretok den nærmeste passeringen 30. desember 2000 og foretok en rekke vitenskapelige målinger i tillegg til at den tok ca.  bilder i løpet av den månedlange forbiflyvningen. Sonden ga det mest detaljerte globale fargeportrettet av Jupiter hvor de minste synlige formasjonenen er ca. 60 km på tvers.

Et viktig funn ved forbiflyvningen, annonsert 6. mars 2003, var sirkulasjonen til Jupiters atmosfære. Mørke belter alternerer med lyse soner i atmosfæren, og sonene, med deres bleke skyer, var tidligere ansett av forskere å være områder med oppstrømmende luft, delvis på grunn av at på jorden har skyer en tendens til å dannes over stigende luft. Cassinis analyser viste imidlertid at de mørke beltene inneholder individuelle stormceller med oppstrømmende lysehvite skyer som er for små til å kunne ses fra jorden. Anthony Del Genio ved NASAs Goddard Institute for Space Studies uttalte at «beltene må være områdene for netto stigende atmosfærisk bevegelse på Jupiter, [så] nettobevegelsen i noen soner må være synkende».

Andre atmosfæriske observasjoner inkluderte en virvlende mørk oval av høy atmosfærisk tåke, omtrent på størrelse med den store røde flekken, nær Jupiters nordpol. Infrarøde bilder avslørte deler sirkulasjon nær polene med striper av globalt sirkulerende vinder og med tilstøtende striber som beveger seg i motsatte retninger. Den samme kunngjøringen drøftet også innholdet i Jupiters ringer. Lysspredningen av partikler i ringene viste at partiklene var uregelmessig formet (snarere enn sfæriske) og at de sannsynligvis oppstod som utkastet materialer fra mikrometeorittnedslat på Jupiters måner, sannsynligvis på Metis og Adrastea. 19. desember 2000 tok Cassini-sonden et lavoppløselig bilde av månen Himalia, men den var for fjernt til at noen overflatedetaljer kunne ses.

 New Horizons (2007) New Horizons-sonden fløy forbi Jupiter for å få gravitasjonshjelp på sin ferd til Pluto og var den første sonden som ble sendt direkte mot Jupiter siden Ulysses i 1990. Kameraet Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) tok sine første bilder av Jupiter 4. september 2006. Romsonden begynte ytterligere studier av det jovianske systemet i desember 2006 og hadde sitt nærmeste møte med planeten 28. februar 2007.

Mens New Horizons var nær Jupiter gjorde instrumentene raffinerte målinger av banene til Jupiters indre månen, spesielt Amalthea. Sondens kamera målte vulkaner på Io, studerte alle de fire galileiske månene i detalj og foretok langdistansestudier av de ytre månene Himalia og Elara. Sonden studert også Jupiters lille røde flekk og planetens magnetosfære og tynne ringsystem.

19. mars 2007 fikk datamaskinen som håndterer kommandoer og data en uopprettelig minnefeil og restartet seg selv slik at romfartøyet gikk inn i en sikkerhetsmodus. Sonden var oppe og gikk igjen innen to dager, men noe data om Jupiters magnetohale gikk tapt. Ingen andre tap av data ble forbundet med møtet med planeten.

 Galileos bane-oppdrag (1995–2003) 

Per 2014 er Galileos banesonde det eneste romfartøyet til å gå inn i en bane rundt Jupiter – dette fant sted 7. desember 1995. Sonden gikk i bane rundt planeten i over syv år, og fullførte 35 omløp før den ble ødelagt med en kontrollert kollisjon med Jupiter den 21. september 2003. I løpet av denne perioden samlet den store mengder informasjon om det jovianske systemet, selv om mengden informasjon ikke var så stor som planlagt på grunn av en mislykket utrulling av en høyt-oppnåelig radiosenderantenne. De store hendelsene i løpet av den åtte år lange studien inkluderte flere forbiflyvninger av alle de galileiske månene så vel som Amalthea – Galileo var den første sonden til å gjøre det. Sonden var også vitne til kometen Shoemaker-Levy 9s nedslag da den nærmet seg Jupiter i 1994 og sendte en atmsofærisk sonde inn i den jovianske atmosfæren i desember 1995.

Kameraer på Galileo-sonden observerte fragmenter fra Shoemaker-Levy 9 mellom 16. og 22. juli 1994 da de kolliderte med Jupiters sørlige halvkule med en hastighet på omtrent 60 kilometer per sekund. Dette var den første direkte observasjonen av en ekstraterrestrisk kollisjon mellom objekter i solsystemet. Mens nedslaget fant sted på den siden av Jupiter som er skjult fra jorden, var Galileo, som da befant seg i en avstand av 1,6 AE fra planeten, i stand til å se nedslagene når de fant sted. Instrumentene oppdaget en ildkule som nådde en temperaturtopp på  K, sammenlignet med temperaturene på 130 K i de typiske jovianske skytoppene og skyen fra ildkulen nådde en høyde på over  km.

En atmosfærisk sonde ble sendt fra romsonden i juli 1995 og gikk inn i planetens atmosfære 7. desember 1995. Etter en nedstigning med høye g-krefter frigjorde sonden de resterende varmeskjoldene og dalte videre med fallskjerm gjennom 150 km av atmosfæren og samlet data i 57,6 minutter før den kollapset på grunn av trykket og temperaturen den ble utsatt for – ca. 22 ganger trykket på jorden og en temperatur på 153 °C. Den ville ha smeltet deretter og muligens fordampet. Selve Galileo-sonden opplevde en raskere verdsjon av samme skjebne da den bevisst ble styrt inn i planeten 21. september 2003 med en hastighet på over 50 km/s, for å unngå enhver mulighet for at den skulle krasje inn i og forurense Europa.

Viktige vitenskapelige resultater fra Galileo-oppdaregt inkluderer:

 den første observasjonen av ammoniakkskyer i en annen planets atmosfære – atmosfæren danner ispartikler av ammoniakk fra materialer som kommer fra lavere dyp;
 bekreftelse på oppfattende vulkansk aktivitet på Io – som er 100 ganger større enn hva som er funnet på jorden; varmen og frekvensen av utbrudd minner om den tidlige jorden;
 observasjoner av komplekse plasmainteraksjoner i Ios atmosfære som skaper enorme elektriske strømmer som pares til Jupiters atmosfære;
 bevis som støtter teorien om at flytende hav eksisterer under Europas isete overflate;
 den første påvisningen av et betydelig magnetfelt rundt en satellitt (Ganymedes);
 magnetiske databevis som tyder på at Europa, Ganymedes og Callisto har et flytende saltvannslag under den synlige overflaten;
 bevis for et tynt atmosfærisk lag på Europa, Ganymedes og Callisto kjent som en 'overflatebundet eksosfære';
 forståelse for dannelsen av Jupiters ringer (av støv skutt opp som interplanetariske meteoroider som krasjer med planetens fire små indre måner) og observasjoner av to ytterringer og muligheten for en egen ring langs Amaltheas bane;
 identifisering av den globale strukturen og dynamikken i en kjempeplanets magnetosfære.

 Nåværende oppdrag 
NASA har et pågående oppdrag for å studere Jupiter i detalj fra en polarbane, kalt Juno. Romsonden ble skutt opp 5. august 2011 og vil plasseres i en polar bane for å studere planetens sammensetning, gravitasjonsfelt, magnetfelt og polare magnetosfære. Sonden vil også søke etter spor for hvordan Jupiter ble dannet, inkludert om planeten har en kjerne av stein, mengder av vann tilstede i den dype atmosfæren og hvordan massen er fordelt innenfor planeten. Juno vil også studere Jupiters dype vinder, som kan nå hastigheter på 600 km/t.

 Foreslåtte oppdrag Europa Jupiter System Mission (EJSM) er et felles forrslag mellom NASA og ESA om utforskning av Jupiter og dens måner. I februar 2009 ble det kjent at NASA og ESA hadde gitt dette oppdraget prioritet foran Titan Saturn System Mission. Forslaget innebærer et tidspunkt for oppskytning rundt 2020 og består av den NASA-ledete Jupiter Europa Orbiter og den ESA-ledete Jupiter Ganymedes Orbiter. ESAs bidrag til prosjektet vil fremdeles måtte konkurrere om finansiering mot andre ESA-prosjekter.

 Avbrutte oppdrag 
På grunn av mulighetene for underjordiske flytende hav på jupitermånene Europa, Ganymedes og Callisto, har det vært stor interesse i å studere disse ismånene i detalj. Finansieringsproblemer har i midlertid forsinket fremdriften. Sonden Europa Orbiter var et planlagt NASA-oppdrag til Europa, men ble avbrutt i 2002. Hovedmålene med oppdraget var å bestemme tilstedeværelsen eller fraværet av underjordiske hav og å identifisere mulige steder hvor et fremtidig landingsfartøy kunne settes ned. I 2005 ble også NASAs JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) avbrutt. Et europeisk Jovian Europa Orbiter-oppdrag ble også studert. Disse oppdragene ble erstattet av Europa Jupiter System Mission (EJSM) beskrevet over.

 Bemannet utforskning 
Det er ikke mulig å lande på selve Jupiter, men det er mulig å lande på de galileiske månene, og det har ført til muligheter for en fremtidig bemannet utforskning. Spesielle mål er Europa, på grunn av dens potensial for liv, og Callisto, på grunn av dens relativt lave strålingsdose. I 2003 foreslo NASA et program kalt Human Outer Planets Exploration'' (HOPE) som involverte et bemannet oppdrag til de galileiske månene, og NASA har anslått et mulig forsøk en gang i 2040-årene. I «Vision for Space Exploration»-policyen offentliggjort i januar 2004 har NASA diskutert bemannede ferder utenfor Mars, og det nevnes at «tilstedeværelsen av menneskelig forksning» lam være ønskelig på Jupiters måner. Før JIMO-oppdraget ble avbrutt uttalte NASA-direktøren Sean O'Keefe at «menneskelige utforskere vil følge».

Mulighet for kolonisering 

NASA har spekulert i muligheten for å utvinne atmosfæren på de ytre planetene, spesielt for helium-3, en isotop av helium som er sjelden på jorden og kunne ha en svært høy verdi per masseenhet som en termonukleært drivstoff; fabrikker stasjonert i baner kunne utvinne gassen og overføre den til besøkende romfartøyer. Det er imidlertid spesielle ulemper forbundet til en kolonisering av det jovianske systemet på grunn av de alvorlige strålingsmengdene i Jupiters magnetosfære og planetens spesielt dype gravitasjonsbrønn. Jupiter ville gitt en strålingsdose på 36 Sv ( rem) per dag til ubeskyttede kolonister ved Io og ca. 5.4 Sv (540 rem) per dag til ubeskyttede kolonister ved Europa, noe som er et betydelig aspekt på grunn av det faktum at en mengde på ca. 0,75 Sv over en periode på et par dager er tilstrekkelig til å forårsake strålingsforgiftning og ca. 5 Sv over et par dager er dødelig.

Ganymedes er solsystemets største måne og den eneste månen i solsystemet som har en magnetosfære, men denne beskytter ikke månen nevneverdig mot kosmisk stråling fordi den blir overskygget av Jupiters magnetfelt. Ganymedes mottar ca. 0,08 Sv (8 rem) med stråling per dag. Callisto, som er lengre unna Jupiters krafitge strålingsbeltet, utsettes for 0,0001 Sv (0,01 rem) per dag. Til sammenligning er den gjennomsnittlige mengden med stråling som et levende organisme på jorden mottar per år ca. 0,024 Sv; de høyeste naturlige strålingsnivåene på jorden er registrert rundt Ramsars varmekilder og er ca. 0,26 Sv per år.

Et av de viktigste målene valgt i HOPE-studiet var Callisto. Muligheten for å bygge en overflatebase på Callisto ble luftet på grunn av det lave strålingsnivået ved månens avstand fra Jupiter og dens geologiske stabilitet. Callisto er den enste av Jupiters galileiske måner hvor en menneskelig utforskning er gjennomførbar. Nivåene av ioniserende stråling på Io, Europa og Ganymedes er farlige for menneskelig liv, og adekvate beskyttelsestiltak er enda ikke utarbeidet.

Det kan være mulig å bygge en overflatebase som kunne produsere drivstoff for ytterligere utforskning av solsystemet. I 1997 utarbeidet Artemis-prosjektet en plan om å kolonisere Europa. Ifølge planen skulle utfoskere bore seg ned i isskorpen på Europa, gå inn i de hevdete underjodiske havene hvor de ville leve i kunstige luftlommer.

Referanser 
Litteraturhenvisninger
 

Netthenvisninger

Litteratur

Eksterne lenker 
 Chronology of Lunar and Planetary Exploration 
 NASA missions to Jupiter 

Jupiter
Romfart
Artikler i astronomiprosjektet