ความลึกลับของดาวพฤหัสบดี: สถานีอวกาศศึกษาก๊าซยักษ์อย่างไร

เมื่อวันที่ 13 เมษายน พ.ศ. 2023 องค์การอวกาศยุโรปได้เปิดตัวภารกิจวิจัย Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) เพื่อ

สถานีระหว่างดาวเคราะห์หุ่นยนต์จะต้องเดินทางไกลเกือบแปดปีก่อนที่จะเริ่มสํารวจดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดของระบบสุริยะและดวงจันทร์ น้ําแข็ง

JUICE จะไม่ใช่นักสำรวจคนแรกยานที่จะเข้าใกล้ก๊าซยักษ์: สถานีอวกาศแปดแห่งเคยเข้าใกล้ดาวพฤหัสบดีมาแล้ว และยานสำรวจจูโนของ NASA กำลังสำรวจดาวเคราะห์อยู่ในขณะนี้ บางคนใช้ก๊าซยักษ์เป็นเพียง "จุดหยุด" ขั้นกลางเพื่อใช้แรงโน้มถ่วงของมันในการเร่งความเร็วและเข้าสู่วงโคจรที่กำหนดเพื่อไปถึงนอกระบบสุริยะและไกลออกไป คนอื่นตั้งใจศึกษาดาวเคราะห์และดาวเทียมจำนวนมาก

ผู้พเนจรที่หายวับไปบินไปในระยะไกลและการค้นพบของพวกเขา

ยานอวกาศแฝด 2 ลำที่ออกแบบโดย NASAไพโอเนียร์ 10 และ ไพโอเนียร์ 11 กลายเป็นยานเทียมลำแรกที่เดินทางพ้นแถบดาวเคราะห์น้อยและเข้าใกล้ดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ แม้ว่าภารกิจจะเริ่มต้นห่างกันประมาณหนึ่งปีและดำเนินไปตามเส้นทางที่แตกต่างกัน แต่พวกเขาก็ประสบความสำเร็จในความสำเร็จครั้งประวัติศาสตร์มากมาย

Pioneer 10 เปิดตัวเมื่อวันที่ 2 มีนาคม พ.ศ. 2515 พร้อมกับภารกิจอันทะเยอทะยานในการศึกษาแถบดาวเคราะห์น้อย บรรยากาศของดาวพฤหัสบดี และระบบสุริยะชั้นนอก ประมาณหนึ่งปีครึ่งหลังจากเปิดตัว มันก็มาถึงดาวพฤหัสบดี เมื่อเข้าใกล้ที่สุดในวันที่ 4 ธันวาคม พ.ศ. 2516 มันบินเป็นระยะทาง 132,000 กม. จากเมฆของดาวพฤหัสบดี

"Pioneer-10" ถ่ายภาพรายละเอียดแรกภาพระยะใกล้ของก๊าซยักษ์และสังเกตการณ์แถบรังสี สนามแม่เหล็ก และอื่นๆ อีกมากมาย หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจหลักแล้ว ยานสำรวจก็มุ่งหน้าไปยังดาวอัลเดบารัน ซึ่งคาดว่าจะไปถึงในอีกประมาณ 2 ล้านปี

เปิดตัวประมาณหนึ่งปีหลังจากเปิดตัวยานไพโอเนียร์ 11 รุ่นก่อนหน้า บินผ่านแถบดาวเคราะห์น้อยในปี พ.ศ. 2517 เขาต้องการความช่วยเหลือจากแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีเพื่อไปถึงดาวเสาร์: ในวันที่ 2 ธันวาคม สถานีระหว่างดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านเป็นระยะทางประมาณ 42.8 พันกิโลเมตรจากขอบเมฆของดาวเคราะห์ ผลจากภารกิจส่วนนี้ เขาถ่ายภาพบริเวณขั้วโลกของดาวพฤหัสบดีและดวงจันทร์ของมัน

ภาพประกอบเชิงศิลป์ของยานสำรวจ Pioneer-10 และ Pioneer-11 ภาพ: NASA Ames

ภาพของดาวพฤหัสบดีและดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดสองดวงของยูโรปา (ซ้าย) และแกนีมีด (ขวา) ถ่ายโดยยานอวกาศ Pioneer 10 ภาพ: องค์การนาซ่า

"นักท่องเที่ยว" คนต่อไปที่แวะเติมน้ำมันยักษ์กลายเป็นสองโพรบ - "ฝาแฝด" "นักเดินทาง" โวเอเจอร์ 2 เปิดตัวเมื่อวันที่ 20 สิงหาคม พ.ศ. 2520 ตามด้วยโวเอเจอร์ 1 สองสัปดาห์ต่อมา หลังแซงหน้า "แฝด" บินผ่านดาวพฤหัสบดีในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2522 และถ่ายภาพก๊าซยักษ์และดาวเทียมได้มากกว่า 18,000 ภาพ ยานสำรวจลำที่ 2 ซึ่งไปถึงดาวพฤหัสบดีในอีก 4 เดือนต่อมา ทำให้นักวิจัยสามารถเปรียบเทียบได้ว่าหน้าตาของดาวเคราะห์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร

เหนือสิ่งอื่นใดยานโวเอเจอร์แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าจุดแดงใหญ่เป็นพายุหมุนทวนเข็มนาฬิกาที่มีปฏิสัมพันธ์กับพายุลูกอื่นที่มีขนาดเล็กกว่านอกจากนี้ดาวเทียมยังค้นพบวงแหวนฝุ่นจาง ๆ รอบ ๆ โลกและดวงจันทร์ที่ไม่รู้จักก่อนหน้านี้หลายดวงค้นพบภูเขาไฟที่ยังคุกรุ่นอยู่บนไอโอและเปิดเผยรอยเลื่อนเชิงเส้นบนพื้นผิวของยูโรปาเป็นครั้งแรกซึ่งเป็นสัญญาณแรกของมหาสมุทร ที่ซ่อนอยู่

ภาพของดาวพฤหัสบดีและจุดแดงใหญ่ที่ถ่ายโดยยานโวเอเจอร์ ภาพถ่าย: NASA

ในปี 1992 ยานอวกาศได้บินผ่านดาวพฤหัสบดีอุปกรณ์ "ยูลิสซิส" ภารกิจหลักของดาวเทียมดวงนี้คือการศึกษาดวงอาทิตย์ แต่เพื่อให้ไปไกลกว่าระนาบสุริยุปราคา (ระนาบที่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่) และดูบริเวณขั้วของดาว ยานสำรวจยังใช้แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ดวงใหญ่ที่สุดด้วย ในระหว่างการบินผ่านดาวเคราะห์ เครื่องมือดาวเทียมสามารถวัดและปรับแต่งรูปร่างและขนาดของแมกนีโตสเฟียร์ของดาวพฤหัสบดีได้

Cassini-Huygens probe เป็นโครงการร่วมของ NASAองค์การอวกาศยุโรปและอิตาลี - เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดจากการสำรวจดาวเสาร์: เป็นเวลากว่า 10 ปีที่เขาโคจรรอบวงโคจรของดาวเคราะห์ แต่ระหว่างทางไปยังสถานที่วิจัย อุปกรณ์นี้สามารถศึกษาดาวพฤหัสบดีได้เช่นกัน กล้องความละเอียดสูงของสถานีอวกาศถ่ายภาพบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีได้ 26,000 ภาพในช่วงเวลาหลายเดือนที่บินผ่าน ภาพถ่ายเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทบทวนความเข้าใจเกี่ยวกับแถบสีแดงและสีขาวของก๊าซรอบโลก

ภาพของดาวพฤหัสบดีที่ถ่ายโดยยานสำรวจแคสสินี รูปถ่าย: NASA/JPL/สถาบันวิทยาศาสตร์อวกาศ

ยานลำสุดท้ายที่บินผ่านดาวพฤหัสบดีคือ"นิวฮอไรซันส์". การเยี่ยมชมดาวก๊าซยักษ์ในปี 2550 เป็นส่วนสำคัญของภารกิจของยานอวกาศ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์น่าจะช่วยนำทางไปสู่ดาวพลูโต ในช่วงระยะเวลาห้าเดือนที่บินผ่าน New Horizons ได้ปรับปรุงการคำนวณวงโคจรของดวงจันทร์ชั้นในของดาวพฤหัสบดี และถ่ายภาพโคลสอัพของจุดแดงน้อยได้เป็นครั้งแรก

กาลิเลโอเป็นคนแรกที่โคจรรอบดาวพฤหัสบดี

ยานอวกาศสี่ลํา (ผู้บุกเบิกและยานโวเอเจอร์) ได้ไปเยือนดาวพฤหัสบดี แต่กาลิเลโอเป็นยานสํารวจลําแรกที่จงใจเข้าสู่วงโคจรของก๊าซยักษ์เปิดตัวเมื่อวันที่ 18 ตุลาคม พ.ศ. 1989 และไปถึงดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในเดือนธันวาคม พ.ศ. 1995 

ขณะอยู่ในวงโคจร กาลิเลโอได้ปล่อยชั้นบรรยากาศลงยานสำรวจที่สุ่มตัวอย่างชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก๊าซเป็นครั้งแรก เขาวัดอุณหภูมิ ความดัน องค์ประกอบทางเคมี ลักษณะของเมฆ ศึกษาแสงแดด ฟ้าแลบ และพลังงานภายในของโลก ในเวลาปฏิบัติการ 58 นาที หัววัดได้ทะลุเข้าไปในชั้นบรรยากาศที่ปั่นป่วนของดาวพฤหัสบดีเป็นระยะทาง 200 กม. ก่อนที่จะถูกบดขยี้ ละลาย หรือกลายเป็นไอเนื่องจากแรงดันและอุณหภูมิที่รุนแรง

ภาพประกอบทางศิลปะของกาลิเลโอที่บินผ่านพื้นผิวภูเขาไฟของไอโอ ภาพ: องค์การนาซ่า

บังเอิญเป็นกาลิเลโอเป็นครั้งแรกสังเกตเห็นดาวหางกระทบดาวเคราะห์เมื่อ Shoemaker-Levy 9 ชนกับดาวพฤหัสบดี นอกจากนี้ เป็นเวลา 14 ปีของการทำงานในวงโคจรของดาวเคราะห์ ยานอวกาศได้ค้นพบแถบการแผ่รังสีที่รุนแรงเหนือยอดเมฆของดาวพฤหัสบดี ฮีเลียมในระดับความเข้มข้นใกล้เคียงกับบนดวงอาทิตย์ การปรากฏตัวของมหาสมุทรเค็มใต้พื้นผิวของยูโรปา และยังรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับแกนเหล็กและสนามแม่เหล็กบนแกนีมีดด้วย

21 กันยายน 2546 เมื่อกาลิเลโอเกือบเชื้อเพลิงหมด NASA จงใจส่งยานอวกาศไป "ลงจอด" ฆ่าตัวตาย ยานสำรวจถูกเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีเพื่อปกป้องยูโรปา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ด้านมหาสมุทรเชื่อว่าสิ่งมีชีวิตอาจซ่อนตัวอยู่

ดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดสี่ดวงของดาวพฤหัสบดีที่กาลิเลโอถ่ายภาพ (จากซ้ายไปขวาตามลําดับระยะทางที่เพิ่มขึ้นจากดาวเคราะห์): Io, Europa, Ganymede, Callisto ภาพ: NASA/JPL/DLR

 จูโนสํารวจความลึกของชั้นบรรยากาศ

ภารกิจจูโนเป็นเพียงยานอวกาศลําที่สองที่อุทิศให้กับการศึกษาดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะเปิดตัวโดย NASA เมื่อวันที่ 5 สิงหาคม 2011 มาถึงดาวพฤหัสบดีในเดือนกรกฎาคม 2016 และยังคงเป็นอยู่ยังคงทํางานต่อไป 

เป้าหมายหลักของ Juno คือการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกำเนิดดาวพฤหัสบดีและการเปลี่ยนแปลงของดาวเคราะห์ตลอดเวลา ระหว่างที่อยู่บนดาวพฤหัสบดี สถานีอัตโนมัติได้มองเข้าไปในส่วนลึกของชั้นบรรยากาศของก๊าซยักษ์ พายุรุนแรงบนโลกนี้ดูวุ่นวายและหยุดไม่ได้มากกว่าที่คิด เช่น ยานอวกาศตรวจพบกลุ่มพายุไซโคลนและแอนติไซโคลนที่ขั้วเหนือของดาวพฤหัสบดี ซึ่งบางลูกมีขนาดใหญ่กว่าโลก

ภาพรวมตามข้อมูลจูโนรวบรวมด้วยอินฟราเรด ซึ่งแสดงพายุหมุนศูนย์กลางที่ขั้วโลกเหนือของโลกและพายุหมุนรอบ ๆ แปดลูก ภาพ: NASA/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM

แม้ว่าจูโนจะไม่สามารถสังเกตเห็นแกนกลางของดาวพฤหัสบดีได้โดยตรง ยานอวกาศได้ให้หลักฐานแก่นักวิทยาศาสตร์ว่าแกนกลางของดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่และ "คลุมเครือ" มากกว่าที่เคยคิดไว้ นักวิจัยเชื่อว่าก๊าซยักษ์มีแกนที่ "คลุมเครือ" แทนที่จะเป็นแกนกลางที่มีขนาดเล็กและแข็ง

จูโนยังตรวจพบฟ้าผ่าหลายประเภทบนดาวพฤหัสบดี ทำให้นักวิทยาศาสตร์ได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เกี่ยวกับชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ข้อสรุปที่ได้จากข้อมูลที่รวบรวมได้บ่งชี้ว่าสภาพอากาศบนดาวพฤหัสบดี ในบางกรณี แตกต่างจากของโลกอย่างสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น บนโลกของเรา ฟ้าแลบส่วนใหญ่มาจากเมฆน้ำ แต่จูโนพบว่าฟ้าผ่าอย่างน้อยหนึ่งชนิดก่อตัวขึ้นสูงในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีอุณหภูมิเย็นเกินไปสำหรับน้ำ บางทีอาจเกิดจากการชนกันของผลึกน้ำแข็งและแอมโมเนีย

ส่วนหนึ่งของบริเวณใกล้เส้นศูนย์สูตรของดาวพฤหัสบดี (มองไม่เห็นขั้ว อยู่ทางซ้ายและขวา) ที่จูโนได้รับภาพ: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M.Gill

ภารกิจเดิมของ Juno สิ้นสุดลงในปี 2021 แต่ NASA ขยายเวลาออกไปจนถึงปี 2025ในช่วงเวลานี้ยานอวกาศสํารวจแกนีมีดยูโรปาและไอโออย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น 

JUICE เป็นยานสํารวจลําแรกในวงโคจรรอบ ดาวเทียม

แม้จะมีการศึกษามากมาย แต่คําถามมากมายเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดีและดวงจันทร์ของมันยังคงไม่ได้รับคําตอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคําถามเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของสิ่งมีชีวิตในมหาสมุทรที่ซ่อนอยู่ใต้น้ําแข็ง บางที JUICE อาจจะสามารถตอบบางส่วนของพวกเขา

การเดินทางของยานสํารวจไปยังดาวพฤหัสบดีจะใช้เวลา 7.5 ปีและจะรวมถึงการกลับสู่โลกสามครั้ง: ยานอวกาศจะใช้แรงโน้มถ่วงของโลกของเราและดาวศุกร์หนึ่งลําเพื่อแก้ไขวิถีโคจรและเข้าสู่วงโคจรรอบก๊าซยักษ์ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2031

ตามแผน เขาจะใช้เวลาสามปีในวงโคจรของโลกทำการบินเข้าใกล้ดาวเทียมหลักสามดวง ได้แก่ ยูโรปา แกนีมีด และคาลลิสโต หลังจากนั้นก็จะเข้าสู่วงโคจรรอบดาวเทียมที่ใหญ่ที่สุดของแกนีมีด กลายเป็นอุปกรณ์ประดิษฐ์ชิ้นแรกที่โคจรรอบดาวเทียมดวงอื่นที่ไม่ใช่ดวงจันทร์

JUICE จะบินผ่านยุโรปเพียงสองครั้งเท่านั้นที่ระยะประมาณ 400 กม. เหนือพื้นผิวดาวเทียม มันอยู่ใกล้ดาวพฤหัสบดีเกินกว่าที่ยานอวกาศจะอยู่ที่นี่ได้นานนัก หลังจากนั้น ยานจะบินผ่าน 21 รอบนอกสุดของดวงจันทร์หลักทั้งสี่ดวงชื่อ Callisto ซึ่งเข้าใกล้ระยะ 200 กม. จากพื้นผิว ภารกิจจะจบลงด้วยวงโคจรรอบแกนีมีดที่เสถียร

แอนิเมชั่นศิลปะของ JUICE ในวงโคจรของแกนีมีด วิดีโอ: ESA

JUICE มีเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ 10 ชิ้นที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสบดีและศักยภาพในการดํารงชีวิตในหมู่พวกเขามีกล้องเซ็นเซอร์เพื่อวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมีของเปลือกน้ําแข็งของดวงจันทร์และสภาพแวดล้อมของพวกเขาแมกนีโตมิเตอร์และเรดาร์ที่จะสร้างแผนที่โดยละเอียดของพื้นผิวของดาวเทียมและดูใต้ดาวเทียม เป็นครั้งแรก

ภารกิจนี้จะถูกส่งออกจากท่าอวกาศในเฟรนช์เกียนาในวันที่ 13 เมษายน 2566 เวลา 15:15 น. ตามเวลามอสโกว ESA จะเริ่มถ่ายทอดสดการเปิดตัวในเวลา 14:45 น.

อ่านเพิ่มเติม:

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาวัตถุที่มีความสว่างมากซึ่งละเมิดกฎของฟิสิกส์

"ทะเล" ของควาร์กในหนึ่งโปรตอน: อนุภาคมูลฐานประกอบด้วยอะไร

ดูแผนที่ความละเอียดสูงสุดของดาวอังคาร: 110,000 เฟรมและ 5.7 ล้านล้านพิกเซล

บนหน้าปก:ภาพประกอบทางศิลปะของภารกิจ JUICE ภาพ: ESA/ATG medialab (ยานอวกาศ); นาซา/อีเอสเอ/เจ นิโคลส์ (ดาวพฤหัสบดี); NASA/JPL (แกนีมีด); NASA/JPL/มหาวิทยาลัยแอริโซนา (ไอโอ); NASA/JPL/DLR (คาลลิสโตและยุโรป)