فضاپیمای «جونو» در راه پرده‌برداری از رازهای مشتری

مشتری – بزرگ‌ترین سیاره منظومه‌مان – برای نهمین بار میزبان کاوشگری از زمین است، و برای دومین بار هم هدف تحقیقات یک کاوشگر اختصاصی. کاوشگر «جونو» با گذشت پنج سال از زمان پرتابش، رکورد سرعت ورود به مدار یک سیاره را – با سرعتی معادل ۲۶۵ هزار و ۵۴۰ کیلومتر بر ساعت – شکست تا در نامتعارف‌ترین مداری که تاکنون برای بررسی یک سیاره تمهید دیده شده، قرار بگیرد.

«جونو» نام شخصیتی در اساطیر یونانی-رومی و همسر سلطان خدایان، ژوپیتر است که می‌تواند از بین ابرهایی که ژوپیتر حریم‌ خود را به یاری‌شان محفوظ داشته، به بدسگالی‌ها و پلشتی‌های او بنگرد. این بامسمّی‌ترین نامی‌ست که می‌توان برای فضاپیمای «جونو» هم متصوّر بود؛ فضاپیمایی که با بهره‌مندی از هشت ابزار علمی خود اختصاصاً به منظور بررسی ساختار درونی مشتری طراحی و برنامه‌ریزی شده است.

جونو همچنین دورترین فضاپیمایی‌ست که از فناوری سلول‌ خورشیدی به منظور تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز خود استفاده می‌کند. در شرایطی که کلّیه ملاقات‌کنندگان سابق مشتری، به پیل‌های گرماهسته‌ای (با سوخت پلوتونیم ۲۳۸) مجهّز بودند، جونو با بهره‌مندی از سه پنل غول‌آسای خورشیدی به طول هر کدام حدود ۹ متر و عرض ۲ متر و ۷۰ سانتیمتر (و لذا مساحت مجموعی در حدود ۶۲ متر مربع)، قادر است که مایحتایج انرژی خود را از همان نور نسبتاً ضعیف خورشید در آن فاصله تأمین بکند (مقدار نور دریافتی از آن فاصله، ۴ درصد مقدار نور دریافتی از زمین است).

مدار جونو هم در بین سایر فضاپیماهای بین‌سیاره‌ای یک مدار منحصربفرد است، چراکه نه‌تنها باید این فضاپیما را (با هدف تحقّق اهداف علمی آن) تا حداقل فاصله ایمن از جو مشتری برساند، بلکه باید در همین اثناء، حداکثر فاصله ممکن را هم از «کمربندهای تابشی» مشتری رعایت کند. کمربندهای تابشی، نواحی تجمّع ذرات باردار پرانرژی در محدوده میدان مغناطیسی یک سیاره‌اند، که در خصوص مشتری (با بزرگ‌ترین میدان مغناطیسی در منظومه شمسی پس از خورشید) عملاً حکم «پرتگاه»هایی مرگبار را برای فضاپیماهای عبوری دارند، چراکه سریعاً تأسیسات الکترونیکی‌شان را در معرض انرژی‌هایی توان‌فرسا قرار می‌دهند.

با این حساب، مدار جونو یک مدار قطبی و بیضوی‌شکل است. قطبی بودن این مدار بدین‌‌معناست که جونو در صفحه‌ای تقریباً عمود بر استوای مشتری به دور آن می‌چرخد، و بدین‌وسیله با هر بار عبور خود از کنار مشتری، از درون حفره کمربندهای تابشی این سیاره می‌گذرد – بدون هیچ‌گونه تماسی با محدوده اصلی این کمربندها.

و از آنجا هم که طبق قوانین مکانیک مداری، سرعت یک جسم واقع در مدار با فاصله‌اش از جسمی که به دور آن می‌چرخد نسبت عکس دارد (به این معنا که هرچه جسم اول به جسم دوم نزدیک‌تر بشود، سرعت‌اش افزایش خواهد یافت)، یک مدار بیضوی کشیده به جونو این امکان را می‌دهد تا با حداکثر سرعت ممکن از نزدیک‌ترین فاصله‌‌اش تا مشتری (حدود ۵۰۰۰ کیلومتر) بگذرد و لذا در هر دفعه چرخش مداری خود، سریعاً از محدوده خطرناک تشعشعات الکترومغناطیسی خارج بشود و در این مدّت عملیات علمی خود را هم به ثمر برساند. در طول مأموریت دوساله برنامه‌ریزی‌شده برای این فضاپیما، انتظار می‌رود که جونو مجموعاً ۳۴ مدار را به گرد مشتری کامل کند؛ به‌طوری‌که مدار پایانی به سقوط در جو مشتری و نابودی فضاپیما منجر خواهد شد.

ادوات علمی هشت‌گانه جونو بر جای‌جای بدنه شش‌ضلعی آن تعبیه شده‌اند، و از آنجاکه فضاپیما به دور محور خود نیز در چرخش است (با آهنگی در حدود ۱ دور در دقیقه)، این ابزارآلات به نوبت نمای تقریباً یکسانی از مشتری را بررسی می‌کنند. در همین بین، مشتری هم به دور خود می‌چرخد، و لذا جونو با هر بار عبور خود از کنار این سیاره، قاچ متفاوتی از آن را بررسی خواهد کرد؛ و در پایان مأموریت خود نقشه تمام‌نما و جامعی از این سیاره مرموز را در طول موج‌های مختلف به دست خواهد داد.

اهداف علمی مأموریت

اهداف علمی مأموریت جونو را می‌توان ذیل سه سرفصل کلّی عنوان کرد: بررسی نسبت اکسیژن به هیدروژن در جو مشتری؛ پیماپیش و نقشه‌برداری از توزیع و شدّت میدان مغناطیسی عظیم مشتری؛ و پیمایش و نقشه‌برداری از میدان جاذبه مشتری.

برای درک اهمیّت نسبت اکسیژن به هیدروژن، باید نگاهی به ترکیب جو مشتری انداخت: جو مشتری، از حیث فراوانی نسبی ترکیبات سازنده آن، شباهت قابل توجهی با جو خورشید دارد، و این چندان دور از انتظار نیست؛ چراکه مشتری دومین جرم تشکیل‌شده در منظومه شمسی پس از خورشید است. این ترکیبات، از مجموعاً ۹۹ درصد هیدروژن و هلیوم و ۱ درصد هم باقی عناصر تشکیل شده‌اند؛ اما کلید درک نحوه تشکیل منظومه شمسی و اعضای آن (اعم از زمین) در همان ۱ درصد نهفته است.

دلیل این امر به این موضوع برمی‌گردد که چنانچه مشتری به هر دلیلی فرآیند شکل‌گیری متفاوتی را نسبت به خورشید از سر گذرانده باشد (یعنی صرفاً از طریق رمبش مستقیم سحابی اولیه به وجود نیامده باشد، که احتمال‌اش بسیار بالاست)، امروزه چنین تفاوتی را باید در نحوه توزیع عناصر سنگین تشکیل‌دهنده آن جستجو کرد.

عناصر سنگین تشکیل‌دهنده جو مشتری (با عدد اتمی ۳ و بیشتر)، مثل قطره‌جوهری در یک لیوان پر از آب می‌مانند که نحوه پراکندگی‌شان در آن بستگی نزدیکی به تحولات گرمایی و دینامیکی محیط آب دارد. سیاره‌شناسان از طریق شبیه‌سازی سناریوهای مختلف پیشنهادشده مبنی بر نحوه تشکیل منظومه شمسی (خاصه نخستین سیاره، که همان مشتری باشد)، در خصوص نحوه توزیع عناصر سنگین در جو امروز مشتری هم به نتایج مختلفی می‌رسند. و کاوشگر جونو با محاسبه دقیق فراوانی نسبی این عناصر در جو مشتری، قادر است حکم نهایی را راجع به هرکدام از این سناریوها صادر کند.

روش محاسبه جونو در واقع بر محاسبه میزان فراوانی «آب» در جو مشتری مبتنی است. آب ترکیبی‌ست متشکّل از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن. هیدروژن فراوان‌ترین عنصر گیتی است و اکسیژن هم فراوان‌ترین عنصر سنگین گیتی. از آنجاکه با محاسبه میزان فراوانی اکسیژن می‌توان میزان فراوانی سایر عناصر سنگین را هم از آن استنباط کرد (چراکه انتظار می‌رود نسبت‌ این عناصر سنگین در جو مشتری کمابیش ثابت مانده باشد)، بهترین شاخص این محاسبه، تعیین فراوانی ترکیب آب خواهد بود، چراکه مولکول آب پایدارترین حالت اتم اکسیژن در احاطه یک محیط هیدروژنی به شمار می‌رود.

اختلاف فاحش بین محاسبات قبلی دانشمندان از مقدار این کمّیت در جو مشتری، سیاره‌شناسان را بی‌صبرانه چشم‌به‌راه محاسبات دقیق و تعیین‌کننده جونو کرده است.

در حالی‌که محاسبه نسبت اکسیژن به هیدروژن در جو مشتری می‌تواند یکی از راه‌های پاسخگویی به معمای تشکیل مشتری (و توسّعاً منظومه شمسی) باشد، راه دیگر، برآورد دقیقی از الگوی توزیع میدان جاذبه این سیاره است؛ چراکه بدین‌وسیله می‌توان به تخمین نسبتاً دقیقی از لایه‌گذاری و ماهیت اجزای درونی این سیاره (و به ویژه پاسخگویی به این سؤال که آیا مشتری از یک هسته سنگی هم میزبانی می‌کند یا نه) پرداخت.

راهکار جونو برای نقشه‌برداری از این میدان جاذبه، استفاده از همان آنتن دوربرد فضاپیما، و بررسی شدت تأثیرگذاری «اثر دوپلر» بر امواج دریافتی از آن در زمین است. اثر دوپلر هنگامی ایجاد می‌شود که منبع یک موج نسبت به ناظر در حرکت باشد؛ به‌طوریکه چنانچه به ناظر نزدیک بشود، طول موج دریافتی کاهش، و چنانچه از آن دور بشود هم این طول موج افزایش خواهد یافت (درست مثل تغییر فرکانس صدای آژیر آمبولانسی که به ما نزدیک و سپس دور می‌شود).

سیاره‌شناسان از طریق جابجایی‌های ناخواسته‌ای که بر اثر افت و خیز شدت نیروی جاذبه مشتری در الگوی مدار جونو بروز می‌کند، قادرند تا پیمایشی از افت و خیز شدّت این میدان در اطراف این سیاره صورت بدهند، و سپس با برآورد چگالی سیاره (و با در اختیار داشتن تخمینی از فراوانی نسبی عناصر تشکیل‌دهنده آن)، نحوه تجمع جرم را در نواحی داخلی آن مشخص سازند.

باقی اهداف علمی جونو، به نقشه‌برداری از میدان مغناطیسی مشتری و ساز و کار شفق‌های قطبی آن مربوط می‌شود. تصوّر می‌رود که منشأ این میدان عظیم مغناطیسی، جریانات «هیدروژن فلزّی» در اعماق این سیاره باشد؛ حالتی از عنصر هیدوژن که تحت فشار سرسام‌آور درون سیاره، رفتارهایی شبیه به یک فلز را – با همان سختی و رسانایی – از خود بروز می‌دهد.

بررسی میدان مغناطیسی مشتری نه‌تنها به درک بهتر سیاره‌شناسان از ساز و کار ایجاد این میدان، بلکه از نحوه برهم‌کنش آن با جریانات «باد خورشیدی» (متشکّل از ذرات باردار آزادشده در جریان فعالیت‌های سطح خورشید) هم کمک خواهد کرد.