Resan till Jupiters isiga månar

För ett år sedan beslutade den europeiska rymdorganisationen ESA att satsa på ett av de största rymdprojekten hittills – att utforska planeten Jupiter och dess månar. Och helt nyligen firade vi framgången av att i hård internationell konkurrens ha fått två svenska mätinstrument med på resan, och dessutom bidrag till ett tredje.

Redan för fem år sedan började vi planera för den flera ton tunga farkosten, som kallas JUICE, en förkortning för JUpiter ICy moons Explorer. Nu har vi ytterligare drygt nio år på oss att utveckla apparaterna. Uppskjutningen från jorden är tänkt att ske år 2022, och efter åtta års rymdfärd kommer JUICE att nå sitt mål 2030. Sedan har vi fyra år på oss att samla mätdata från Jupiters närmaste omgivning och på nära håll följa dess tre största månar: Europa, Ganymedes och Callisto. Vi kommer också att placera en rymdfarkost i låg bana kring Ganymedes, där hela resan kommer att avslutas med en kraschlandning år 2034. Om allt går enligt planerna kommer alltså projektet att sammanlagt sträcka sig över ett kvarts sekel. Många av oss kommer att pensioneras under resans gång.

Numera känner vi också till flera hundra gasjättar kring andra stjärnor än vår sol, men de är för avlägsna för att vi ska kunna studera dem närmare. Att undersöka Jupiter i detalj ger oss en fingervisning om vad som vi kan förvänta oss på längre håll i rymden, dit vi ännu inte kan nå, och klarlägga förhållanden i främmande planetsystem.

Flera gånger i historien har utforskningen av Jupiter och dess månar förändrat vår syn på planetsystemet. Den mest omvälvande inträffade under tidigt 1600-tal när Galileo Galilei riktade sitt teleskop mot vår mäktiga planetgranne. Han fann ett solsystem i miniatyr. Kring Jupiter kretsade fyra månar, ungefär av vår månes storlek, som döptes till Ganymedes, Europa, Callisto och Io. Upptäckten av de galileiska månarna förändrade människans världsbild för alltid, och flyttade centrum för planetsystemet från jorden till solen.

I dag vet vi att det finns drygt 60 månar i banor kring Jupiter. De flesta är relativt små himlakroppar som fångats in av Jupiters enorma tyngdkraft. Nu är det dags att ta en närmare titt på de tre största ismånarna och de hav som vi tror flyter under deras frusna ytor. Den vulkaniska Io, som inte täcks av is, lämnar vi än så länge därhän.

Jupiter är den största planeten som kretsar kring vår stjärna. Liksom solen består den av gas, mest väte och helium, i en volym som är drygt 1 300 gånger större än vår lilla stenplanet. Denna gasjätte har samlat på sig en massa som överskrider 2,5 gånger den sammanlagda massan hos alla de andra planeterna i solsystemet.

På bara tio timmar svänger Jupiter runt sin egen axel. Ett vidsträckt magnetfält skapas av elektriska dynamoströmmar i planetens centrala delar, där det enorma gastrycket omvandlat vätgasen till metall. Magnetfältet kommer att rotera med planeten, och dess styrka är i Jupiters närhet över tio gånger jordens. Precis som kring jorden bildas även kring Jupiter en magnetfältsbubbla, magnetosfär, som fylls av gas och stoft från de galileiska månarna, främst Io. Solvinden, elektriskt laddade partiklar från solen, plattar till magnetosfären där den anländer från solen, medan magnetosfärens långa svans på nattsidan sträcker sig ända till grannen Saturnus bana.

Om vi kunde se Jupiters magnetosfär skulle den vara störst av allt på himlavalvet, mycket större än solen och månen. Men den är osynlig för ögat, och består mest av tunn gas av mycket energirika elektriskt laddade partiklar, ett så kallat plasma, upphettat till flera miljoner grader. Liksom på jorden ger de elektriskt laddade partiklarna upphov till flammande norrsken kring Jupiters poler.

Magnetosfären, som roterar tillsammans med sin planet, sveper förbi Jupiters månar med hastigheter på flera tiotals kilometer i sekunden. Detta extrema flöde av magnetfält och plasma påverkar månarna på många sätt.

Särskilt intressant är växelverkan mellan Jupiters magnetosfär och den som omger Ganymedes – en unik egenskap bland solsystemets månar. Så även kring Ganymedes rör sig elektriskt laddade partiklar längs med magnetfältet och böjer av ner mot månens magnetiska poler där de får den tunna atmosfärsgasen att lysa i ultraviolett. Ganymedes har alltså både norr- och sydsken.

Ganymedes är inte bara Jupiters utan hela solsystemets största måne, större till och med än planeten Merkurius.

På ytan är månen frusen, men antagligen gömmer sig en ocean av saltvatten längre ner. Längst in i mitten dväljs en kärna av järn, som ger upphov till magnetfältet.

Ganymedes magnetfält är helt insvept i Jupiters magnetfält – en magnetosfär inuti en magnetosfär så att säga. Det ger intressanta effekter som gör att Ganymedes har blivit ett av huvudmålen för JUICE:s rymdfärd.

Med på resan följer elva instrumentpaket. Flera svenska grupper kommer att bidra med vetenskapliga undersökningar och mätinstrument, och vi på Institutet för rymdfysik (IRF) leder nu två av de stora internationella instrumentkonsortierna inom JUICE. Den svenska Rymdstyrelsen och IRF finansierar stora delar av de svenska bidragen. Det är speciellt haven under de isiga ytorna på månarna Europa och Ganymedes som vi vill undersöka. JUICE kommer inte att leta efter utomjordiskt liv i sig, utan snarare att fokusera på att försöka bestämma havens fysiska och kemiska förhållanden, samt utforska hur rymdmiljön kring månarna påverkar möjligheterna till eventuellt liv i haven.

Jupiters rymdmiljö är en av vårt planetsystems tuffaste, där strålningen gör det svårt för till och med rymdfarkoster att överleva. Därför måste specialdesignad elektronik användas för vetenskaplig instrumentering. Andra utmaningar som möter oss därute är faran att små rymdmeteoriter kan träffa och förstöra farkosten, eller att instrumenten inte tål de extremt låga temperaturerna – med solljus 25 gånger svagare än på jorden sjunker temperaturen till minus 180 grader. Det finns också ett hot i att JUICE kommer att röra sig i en så strålningsrik omgivning, att hela sonden kan bli elektriskt laddad, vilket kan förstöra både instrument och rymdfarkostsystem.

Vårt instrumentpaket, Radio & plasma wave investigation (RPWI), kommer att mäta många effekter av rymden i Jupiters närhet. Vi vill studera elektriska och magnetiska fält i månarnas närhet, radiovågor som vi tror kommer från norrskensområden, samt undersöka den laddade gasens – plasmats – densitet, temperatur och hastighet. Vi vill särskilt studera Jupiters roterande magnetfält och de laddade partiklar som rör sig inne i magnetosfären. Denna starka magnetosfär växelverkar med månarnas elektriskt ledande salta oceaner, vilket kan påverka eventuellt liv under ytan. Strålning triggar också nya kemiska reaktioner på månarnas ytor och bidrar till att skapa deras tunna syrerika atmosfärer, som är ytterligare ett av våra studieobjekt.

Månens atmosfär bildas när den isiga månytan utsöndrar vatten i gasform via en rad processer. Dels träffas isen av partikelstrålning från Jupiters magnetosfär. Dels bidrar meteoritnedslag till att vatten frigörs från ytan. Även solstrålningen sönderdelar vattnet och får molekylerna att sväva upp. Dessutom sipprar vatten upp från månens innandöme, genom den tjocka isen upp till ytan. Det kan till och med bildas sprickor i isen där oceanen sprutar ut. Stora plymer av mestadels vatten har tidigare upptäckts kring Europa och även Saturnusmånen Enceladus. Vårt instrument RPWI kommer att direkt kunna dyka in i dessa plymer.

Den tunna syrerika atmosfär som bildas kring månarna utsätts ständigt för partikelstrålning från Jupiters magnetosfär och även av solens energirika ultravioletta strålning och röntgenstrålning. Strålningen får atmosfären att bli joniserad och därmed elektriskt ledande.

Elektriska strömmar kan därför inte bara flyta i de salta mineralrika haven under isarna, utan även i de tunna atmosfärsskikten längst ner vid ytan. Dessa strömmar kommer att kunna mätas med våra instrument ombord på JUICE.

Dessutom kommer instrumenten att mäta den elektriska laddningen i månatmosfären, och därmed uppskatta hur den elektriska ledningsförmågan varierar med höjden ovanför ytan. Att undersöka den tunna atmosfärsgasen och eventuella stoftpartiklar av is, samt kartlägga elektriska strömmar kring de isiga månarna är några av de viktigaste vetenskapliga uppdrag som RPWI har på sin agenda.

Gas och stoft från månarna sprids och dras ut längs månbanorna i en torusformad svans, som ständigt sprids ut i omgivningen och fyller stora delar av magnetosfären. Solstrålning och energirikt plasma får en del av gasen och stoftet att bli elektriskt laddad. Så skapas ett stoftplasma, där de tunga stoftpartiklarna, som är mellan några nanometer och en mikrometer stora, bär en stor del av den elektriska laddningen. De laddade stoftpartiklarna påverkas starkt av det roterande magnetfältet som vill accelerera och slunga dem utåt med centrifugalkraften, samtidigt som månens gravitationskraft vill dra in stoftet. En sådan torus har vi redan sett kring en av Saturnus plasmaringar, och något liknande tror vi att vi kan finna i stoftgasen kring Jupitermånarnas banor.

Vi vill även söka efter källorna till de intensiva radiovågorna kring Jupiter, som har uppmätts så långt bort som på jorden. Radiovågorna bildas i norrskenszonerna, och därför kommer RPWI att kartlägga radiokällorna i norr- och sydskensregionerna hos både Jupiter och Ganymedes. Även blixturladdningar i Jupiters stormiga molnmassor ger upphov till radiovågor som vi kan observera med RPWI.

Ytterligare outforskade fenomen är de fotavtryck som de galileiska månarna lämnar i Jupiters norrsken. Fotavtrycken bildas av elektriska strömmar som flödar mellan månarna och Jupiter och ger upphov till så kallade Alfvénvågor (efter den svenska Nobelpristagaren Hannes Alfvén) och starka elektriska fält där magnetosfärspartiklarna accelereras till höga energier. Partiklarna färdas längs magnetfältslinjerna och slår ner i Jupiters atmosfär där de ger upphov till norr- och sydskensfläckar. Det är dessa fläckar som brukar kallas magnetiska fotavtryck. RPWI kommer att observera Alfvénvågorna, de elektriska fälten och strömmarna associerade med dessa fotavtryck. 

Om forskarna:

Jan Bergman är forskare vid Institutet för rymdfysik i Uppsala.

Jan-Erik Wahlund är docent vid IRF i Uppsala samt huvudansvarig för JUICE/RPWI.

Michiko Morooka är från 1 maj forskare vid Uppsala universitet (tidigare vid Tohoku university i Sendai, Japan).