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.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.

Ulysses (1992)

8. februar 1992 fløy Ulysses-sonden forbi Jupiters nordpol i en avstand av 451 000 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. 26 000 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.

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».