Sao Mộc là hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời. Cả nghiên cứu lý thuyết và quan sát đều chỉ ra rằng Europa, Ganymede và Callisto có thể có các đại dương nước mặn dưới bề mặt.
Các đại dương nước mặn có lợi cho sự tồn tại và tiến hóa của các vi sinh vật ưa mặn. Do đó, những vệ tinh này có thể có sự sống bên ngoài trái đất. Để có được các đặc tính quan trọng về các khía cạnh khác nhau của các vệ tinh này và xác nhận xem chúng có phù hợp với sự sống hay không, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã mất nhiều năm và cuối cùng đã phóng thành công “Jupiter Ice Moon Explorer” (Juice). Juice sẽ thu được thông tin chi tiết về vùng biển dưới bề mặt, địa hình, địa chất, chất hóa học bề mặt, từ trường, cấu trúc bên trong và trường trọng lực của các vệ tinh băng giá này, giúp con người hiểu đầy đủ và sâu sắc về các hành tinh băng giá này, thậm chí tìm ra các hành tinh ngoài trái đất cho con người. Bằng chứng về sự tồn tại sinh học.
Ngày 14 tháng 4 năm 2023 (19:14 giờ Hà Nội), Tàu thám hiểm Mặt trăng Băng giá Sao Mộc (Juice / JUICE) của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã ở trong không gian ở Guiana thuộc Pháp. Trung tâm đã được phóng trên một chiếc Ariane 5 tên lửa hạng nặng.
Juice có giá 1,6 tỷ euro, đang thực hiện sứ mệnh thăm dò hệ sao Mộc, cụ thể là ba mặt trăng băng giá lớn nhất của sao Mộc: Europa, Ganymede và Callisto. Cùng với Io, chúng được Galileo Galilei (1564-1642) và Simon Marius (1573-1625) phát hiện độc lập cách đây hơn 400 năm và được các thế hệ sau đặt tên là “vệ tinh Galilei”.
Trên, từ trái sang phải, Io, Europa, Ganymede và Callisto; bên dưới, một phần của Sao Mộc.
Sao Mộc, Io, Europa và Ganymede đã được chụp ảnh bởi tàu thăm dò Galileo và Callisto bởi tàu thăm dò Du hành.
Ảnh: NASA/JPL/DLR
Nhiệm vụ đầu tiên của Juice là phát hiện Ganymede, tiếp theo là Europa, Callisto, Jupiter và Io. Thông qua các công cụ khác nhau mang trên mình, Juice sẽ thăm dò sâu các đặc tính khác nhau của các thiên thể này. Trong bài viết ngắn này, chúng tôi sẽ giới thiệu về lịch sử phát triển, sứ mệnh, thiết bị đo đạc và các chủ đề khác của Juice.
Nguồn gốc của Juice có thể bắt nguồn từ tháng 2 năm 2008, khi NASA và ESA quyết định hợp tác phát triển Sứ mệnh Hàng đầu của Hành tinh Bên ngoài. Vào tháng 2 năm 2009, “Nhiệm vụ Hệ thống Sao Mộc Europa-Laplace” đã được ưu tiên và nó sẽ được sử dụng để thực hiện thành công nhiệm vụ đã hoàn thành của “Galileo” và tiếp tục khám phá các mặt trăng băng giá của Sao Mộc.
Theo kế hoạch, EJSM-Laplace bao gồm Tàu quỹ đạo Sao Mộc Europa (JEO) do NASA phụ trách và Tàu quỹ đạo Sao Mộc Ganymede (JGO) do ESA phụ trách, chúng sẽ được phóng độc lập vào khoảng năm 2020 và sau vài năm hành trình, họ sẽ lần lượt khoanh tròn và nghiên cứu sâu về Europa và Ganymede.
Tuy nhiên, JGO phụ trách ESA phải cạnh tranh với các dự án quan trọng khác để giành quyền ưu tiên phóng [Lưu ý 2] nên NASA đã chuẩn bị một kế hoạch khẩn cấp để phát triển riêng cho JEO do mình phụ trách nên có vẻ nửa vời. Quan trọng hơn, hai máy dò không có nhiều sự phụ thuộc lẫn nhau, sự hợp tác giữa hai bên đã đổ vỡ vào tháng 4 năm 2011 và họ bắt đầu phát triển máy dò của riêng mình một cách độc lập. ESA đã đổi JGO thành “Jupiter Ice Moon Investigator”, nhưng vẫn lấy việc phát hiện Ganymede làm mục tiêu chính. JEO của NASA đã được thay thế bằng dự án Europa Clipper vào tháng 6 năm 2015.
Vào tháng 4 năm 2012, Juice đã giành chiến thắng trong cuộc cạnh tranh với hai dự án khác và từ đó được ESA xác định là dự án quy mô lớn (cấp độ L) đầu tiên của “Chương trình Tầm nhìn Vũ trụ 2015-2025”. [Lưu ý 3]
Vào năm 2014, ESA đã hoàn thành một nghiên cứu chi tiết về thiết kế và mục tiêu của Juice. Vào tháng 7 năm 2015, Airbus Defense and Space (Airbus Defense and Space) đã được chọn là nhà sản xuất chính để thiết kế và chế tạo Juice, và kể từ đó đã sản xuất các phần cứng và dụng cụ khác nhau của Juice trên khắp châu Âu. Trong vài năm qua, các thành phần và thiết bị của Juice đã vượt qua nhiều bài kiểm tra khác nhau trước khi được lắp ráp và chuyển đến địa điểm phóng.
Nhiệm vụ của Juice
Theo kế hoạch, nhiệm vụ đầu tiên của Juice là nghiên cứu các đặc điểm khác nhau của Ganymede, tiếp theo là nghiên cứu Europa, Callisto và Sao Mộc, và nhiệm vụ thứ ba là nghiên cứu Io và các mặt trăng khác của Sao Mộc. Chúng ta có thể phân loại nhiệm vụ của nó như sau.
1. Xác định xem có tồn tại biển ngầm của Ganymede hay không, nếu có thì gián tiếp nghiên cứu bản chất của nó. Ganymede có bán kính trung bình 2634 km, là vệ tinh lớn nhất trong hệ mặt trời và bán kính của nó lớn hơn bán kính trung bình của Sao Thủy (2440 km). Các nhà thiên văn học đã nghi ngờ Ganymede có một đại dương dưới bề mặt từ những năm 1970. Các quan sát về Ganymede của Galileo và Kính viễn vọng Không gian Hubble (“Hubble”) càng ủng hộ suy đoán rằng Ganymede có một vùng biển ngầm. Ước tính tổng lượng nước biển của Ganymede có thể lên tới 6-8 lần tổng lượng nước biển của Trái đất, với độ sâu lên tới 100 km, bị chôn vùi dưới lớp vỏ băng dài 150 km.
2. Nghiên cứu địa hình bề mặt Ganymede, địa chất, thành phần hóa học của vật liệu bề mặt, tính chất vật lý của lớp băng và tính chất của khí quyển mỏng.
3. Từ trường của Ganymede và tương tác của nó với từ trường của Sao Mộc. Từ trường nội tại được tạo ra bởi lõi sắt-niken của Ganymede (Gymedy là vệ tinh duy nhất trong hệ mặt trời có từ trường nội tại) và từ trường cảm ứng được tạo ra bởi biển nước mặn dưới lòng đất có thể có của nó sẽ là đối tượng quan trọng của nghiên cứu Juice.
4. Phát hiện các vùng biển dưới bề mặt của Europa và mô tả đặc điểm của chúng. Các phát hiện bằng từ kế của Galileo đã khiến các nhà thiên văn học suy luận rằng Europa có một biển nước mặn dưới bề mặt, nơi tạo ra từ trường cảm ứng. Người ta ước tính rằng lượng nước do Europa chứa có thể gấp ba lần tổng lượng nước biển trên trái đất và độ sâu trung bình có thể đạt tới 100 km. Các quan sát của Hubble về các cột nước phun ra từ các phần của Europa xác nhận thêm rằng Europa thực sự có thể có một đại dương dưới lòng đất.
5. Nghiên cứu đặc điểm địa hình, đặc điểm địa chất, chất hóa học bề mặt, thành phần hóa học của chất băng không phải nước, xác định độ dày tối thiểu của lớp băng ở phần hoạt động địa chất tích cực nhất của nó.
6. Xác định xem Callisto có thực sự có biển ngầm hay không, lập bản đồ địa hình, địa chất và thành phần hóa học của vật liệu bề mặt ở các vùng khác nhau của Callisto và nghiên cứu các tính chất vật lý của lớp băng ở Callisto. Callisto đã không trải qua hoạt động địa chất nào kể từ khi hình thành và các miệng hố do tác động của thiên thạch để lại trên bề mặt của nó vẫn được bảo tồn. Việc nghiên cứu địa hình cụ thể của Callisto có giá trị rất lớn đối với việc tìm hiểu lịch sử hình thành của các thiên thể trong hệ mặt trời.
7. Nghiên cứu sự phân bố khối lượng bên trong, đặc điểm động học và tiến hóa của các vệ tinh băng và đo trường trọng lực của các vệ tinh băng.
8. Đo từ quyển của Sao Mộc, nghiên cứu sự tương tác giữa từ trường của Sao Mộc và từ trường của các vệ tinh băng giá, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt tích điện được gia tốc bởi từ trường của Sao Mộc trên bề mặt của các vệ tinh băng giá.
9. Quan sát một số vệ tinh dị hình của Io và Sao Mộc ở khoảng cách tương đối xa.
Một trong những nhiệm vụ cốt lõi của Juice là xác nhận sự tồn tại của biển mặn của các mặt trăng băng giá và nghiên cứu các đặc tính của chúng, nếu có. Biển mặn có lợi cho sự tồn tại và phát triển của vi sinh vật ưa mặn. Do đó, Juice có thể không đạt được bước đột phá nào trong quá trình khám phá sự sống ngoài trái đất của con người.
Nếu Juice không tìm thấy bằng chứng về sự sống, nhưng xác nhận sự tồn tại của các vùng biển dưới bề mặt và thu được các đặc tính cụ thể hơn của chúng, thì đó cũng là một bước tiến quan trọng, bởi vì nước ở dạng lỏng cung cấp một trong những manh mối quan trọng cho quá trình tiến hóa của các thiên thể.
Thiết bị của Juice
Có 10 thiết bị khoa học trên Juice, trong đó 3 thiết bị là máy quang phổ, 2 thiết bị khảo sát và viễn thám, 2 thiết bị dò hạt và 3 thiết bị còn lại là máy ảnh, từ kế và radar.
Ba máy quang phổ là Máy quang phổ hình ảnh UV (UVS), Máy quang phổ hình ảnh Mặt trăng và Sao Mộc (MAJIS) và Thiết bị đo sóng dưới milimet (SWI) ), các bước sóng quan sát/làm việc là 55-210 nanomet (cực tím), 0,4-5,7 micron ( quang học và hồng ngoại) và khoảng 0,3 mm/khoảng 0,6 mm.
UVS nghiên cứu ngoại quyển của các mặt trăng băng giá, bầu khí quyển phía trên của Sao Mộc, cực quang của Sao Mộc và các mặt trăng băng giá của nó, đồng thời tìm kiếm các luồng nước phun ra từ bề mặt Europa, v.v. MAJIS quan sát các đặc điểm của mây và dấu vết khí trong tầng đối lưu của khí quyển Sao Mộc, xác định và nghiên cứu thành phần băng và khoáng chất trên bề mặt phức tạp của các mặt trăng băng giá của Sao Mộc, đồng thời tìm kiếm các phân tử hữu cơ trên bề mặt của chúng để xác định xem chúng có phù hợp với sự sống hay không. SWI nghiên cứu tầng bình lưu và tầng đối lưu của Sao Mộc, cũng như tầng ngoài và bề mặt của các mặt trăng băng giá. Khi quan sát Sao Mộc, độ phân giải của MAJIS và UVS lần lượt là 100 km và 250 km; khi quan sát Ganymede, độ phân giải của MAJIS và UVS lần lượt lên tới 75 mét và 500 mét.
Hai công cụ khảo sát và viễn thám là Máy đo độ cao bằng laser Ganymede (GALA) và Lực hấp dẫn và Địa vật lý của Sao Mộc và Mặt trăng Galilean (3GM). Chức năng chính của cái trước là đo và lập bản đồ địa hình ba chiều thông qua phạm vi laser và độ phân giải dọc của nó đạt tới 10 cm; chức năng chính của cái sau là đo trường trọng lực ở mọi nơi, xác định cấu trúc của đại dương băng dưới bề mặt vệ tinh, và xác định cấu trúc của khí quyển và tầng điện ly của các vệ tinh băng.
Hai máy dò hạt là Gói môi trường hạt (PEP) và Điều tra sóng vô tuyến và plasma (RPWI). Chúng được sử dụng để phát hiện trực tiếp các hạt trung tính, hạt tích điện và sóng vô tuyến mà chúng phát ra.
Máy ảnh là “sự quan sát toàn diện về sao Mộc, các mối tình và hậu duệ của anh ấy” (Jovis, the Amorum ac Natorum Undique Scrutator, JANUS). Phạm vi bước sóng quan sát của nó là 0,36-1,1 micron và có chức năng chụp ảnh ba chiều, chủ yếu chụp các bề mặt của Ganymede và Callisto, với độ phân giải lên tới 2,4 mét.
Từ kế (Juice-Magnetometer, J-MAG) có thể phát hiện từ trường của các mặt trăng băng giá, để xác nhận hoặc bác bỏ suy luận rằng Ganymede và Callisto có các đại dương dưới bề mặt. Ngoài ra, nó có thể phát hiện sự tương tác của từ trường của Europa và Ganymede với từ trường của Sao Mộc.
Radar là “Radar cho Thám hiểm Mặt trăng Băng giá, RIME”. Ăng-ten dài 16 mét của nó phát ra sóng radar có bước sóng khoảng 33 mét, có thể xuyên tới độ sâu 9 km dưới bề mặt băng, sau đó dội ngược trở lại và được ăng-ten thu lại. Thông qua sự thâm nhập và phản xạ, có thể thu được cấu trúc lớp băng trong phạm vi 9 km bên dưới bề mặt của vệ tinh băng giá và độ phân giải dọc có thể đạt tới 30 mét.
Ngoài 10 thiết bị trên, ăng-ten của Juice cũng có thể truyền các tín hiệu cụ thể và Giao thoa kế đường cơ sở rất dài (VLBI) trên trái đất nhận các tín hiệu này để đo chính xác trường hấp dẫn của Sao Mộc và các mặt trăng băng giá của nó, Đây là Giao thoa kế vô tuyến hành tinh và Thí nghiệm Doppler (PRIDE).
Nhờ công nghệ tiên tiến, 10 nhạc cụ rất nhẹ, với tổng khối lượng chỉ 104 kg.
Juice sử dụng các tấm pin mặt trời để tạo ra điện để cung cấp năng lượng hoạt động cho thiết bị và công suất hoạt động của nó đạt tới 820 watt. Ở gần quỹ đạo của sao Mộc, cường độ bức xạ của mặt trời chỉ bằng khoảng 4% so với cường độ chiếu xạ ở gần trái đất, để có đủ năng lượng, không chỉ hiệu suất của pin phải rất tốt mà diện tích của tấm pin cũng phải rất lớn. buồm pin được yêu cầu phải rất lớn – diện tích của nó khoảng 85 mét vuông.
Ngoài dụng cụ và pin, một thành phần quan trọng khác là thiết bị định vị. Nó hướng dẫn chính xác đầu dò dọc theo một lộ trình định trước.
Để tiết kiệm nhiên liệu tên lửa và tăng tốc độ, Juice sẽ sử dụng công nghệ súng cao su hấp dẫn (gravitational boost) đã được sử dụng rộng rãi trước đây, sử dụng lực hấp dẫn khổng lồ của hành tinh để tăng tốc độ. Theo kế hoạch, nó sẽ bay qua hệ thống Trái đất-Mặt trăng vào tháng 8 năm 2024, bay qua sao Kim vào ngày 31 tháng 8 năm 2025 và thực hiện chuyến bay đầu tiên và thứ hai vào ngày 29 tháng 9 năm 2026 và ngày 18 tháng 1 năm 2029.
Sau vài lần bay ngang qua, Juice sẽ đạt đủ tốc độ để du hành tới Sao Mộc. Trên đường đi, nó có thể bay ngang qua tiểu hành tinh 223 Rosa vào ngày 15 tháng 10 năm 2029, để phát hiện gần.
Theo kế hoạch, sau 8 năm hành trình, Juice sẽ bắt đầu đi vào hệ thống Sao Mộc vào tháng 7 năm 2031 và nhận ra sự thay đổi quỹ đạo thông qua hiệu ứng súng cao su của các vệ tinh cơ động và lực hấp dẫn của Sao Mộc, đồng thời đi vào quỹ đạo quanh Sao Mộc sau khoảng 3,5 nhiều năm phát hiện quỹ đạo, Nó sẽ rời quỹ đạo Sao Mộc vào tháng 12 năm 2034 và hướng đến Ganymede.
Sau khi hoàn thành những chuyến bay ngang qua này, Juice bắt đầu đi vào quỹ đạo quanh Ganymede, do đó trở thành Tàu quỹ đạo Ganymede. Nó cũng sẽ biến nó thành tàu thăm dò đầu tiên quay quanh một vệ tinh tự nhiên khác ngoài Mặt trăng.
Khi Juice lần đầu tiên quay quanh Ganymede, bán kính quỹ đạo trung bình của Juice rất lớn (5000 km), sau vài lần thay đổi quỹ đạo, quỹ đạo của nó sẽ trở thành hình tròn, và độ cao tính từ bề mặt Ganymede chỉ còn 500 km.
Từ khi đi vào hệ thống Sao Mộc đến khi quay quanh Ganymede ở độ cao thấp, Juice đã bay ngang qua Europa, Ganymede và Callisto 35 lần trong toàn bộ quá trình, để tiến hành dò tìm ba mặt trăng băng giá này ở cự ly gần. Bao gồm một số lần bay ngang để đạt được súng cao su hấp dẫn trước khi vào Sao Mộc, Juice sẽ thực hiện khoảng 40 thao tác để hoàn thành các thao tác bay ngang này. Các thao tác này sẽ tiêu tốn rất nhiều nhiên liệu đẩy, vì vậy khối lượng nhiên liệu đẩy mà Juice mang theo là khoảng 3000 kg.
Trong quỹ đạo dài 500 km của mình, Juice sẽ quay quanh Ganymede trong khoảng một năm (ít nhất là 9 tháng). Nếu vẫn còn nhiên liệu đẩy vào thời điểm đó, nó sẽ tiếp tục thay đổi quỹ đạo, giảm độ cao quỹ đạo xuống 200 km. Sau khi hết nhiên liệu đẩy, Juice sẽ tấn công Ganymede vào cuối năm 2035. Những quỹ đạo gần này, cũng như cách tiếp cận trước tác động cuối cùng, sẽ cho phép Juice quan sát Ganymede với độ phân giải chưa từng có.
Nếu suôn sẻ, Juice sẽ nâng cao đáng kể sự hiểu biết của con người về các đặc tính khác nhau của Ganymede và nâng cao hiểu biết của con người về một số đặc tính của Europa, Callisto và Jupiter. Trong kịch bản lạc quan nhất, nó thậm chí có thể mang lại bằng chứng về sự sống trên các mặt trăng băng giá của Sao Mộc.
Europa Clipper, sẽ được phóng vào năm 2024, sẽ đến hệ thống Sao Mộc vào năm 2030 (sớm hơn một năm so với Juice) và nó sẽ đi qua chế độ nhiều lần bay gần (không có chế độ quỹ đạo, vì Sao Mộc ở trên Europa The từ trường tại quỹ đạo quá mạnh) để quan sát chi tiết Europa và hợp tác với Juice, người đến sau, để cung cấp kinh nghiệm và so sánh dữ liệu cho nhau.
Ngoài ra, dự án “Tianwen-4” đang được nước ta lên kế hoạch cũng lấy Sao Mộc và các vệ tinh băng giá của nó làm mục tiêu dò tìm chính. Nếu thông qua phê duyệt dự án, nó có thể được phóng vào năm 2029 và tàu thăm dò chính của nó sẽ đến Sao Mộc vào năm 2035 và trở thành quỹ đạo quanh Callisto để thu được nhiều thông tin chi tiết khác nhau về Callisto.
Nếu Juice, Europa Clipper và Tianwen-4 đều có thể đạt được thành công mục tiêu của mình, thì sự hiểu biết của con người về các đặc tính khác nhau của các vệ tinh băng giá của Sao Mộc sẽ được cải thiện một cách toàn diện.
