Nu är Juice på väg mot Jupiters isiga månar

Uppdatering: Fredagen den 14 april klockan 14.14 lämnade Jupiter icy moons explorer den europeiska rymdhamnen i Kourou i Franska Guyana.

Jan-Erik Wahlund ser inte särskilt orolig ut. Snarare kanske lite road, eller i alla fall luttrad av åratal av större och mindre katastrofer som måste hanteras. Han pekar på en parabol på en bild av rymdsonden Juice.

– Det är den här antennen som är inblandad i dagens katastrof, säger han.

Jan-Erik Wahlund är forskare på Institutet för rymdfysik i Uppsala, men sedan 2012 är han först och främst projektledare för ett av instrument­paketen på rymdsonden Juice. Namnet kan läsas som en förkortning för Jupiter icy moons explorer, och snart ska den sändas iväg mot Jupiter. Rymdsonden är Europas största rymdsondsprojekt någonsin, och följer i spåren på en rad lyckade uppdrag. Läsare av Forskning & Framsteg kanske minns sonden Rosetta, som besökte en komet 2014–2016, och där Institutet för rymdfysik hade en viktig roll. Svenska instrument fanns också på Nasas rymdsond Cassini, som utforskade Saturnus och dess omgivningar mellan 2004 och 2017.

De tidigare erfarenheterna var helt avgörande för rollen som de svenska forskargrupperna har för Juice. Uppsalaavdelningen av Institutet för rymd­fysik ansvarar för instrumentpaketet Radio & plasma waves investigation, RPWI. Ett annat instrumentpaket sätts ihop av Kirunaavdelningen. Totalt sett är de svenska forskargrupperna an­svariga för en femtedel av de vetenskapliga instrumenten på detta gigantiska rymdprojekt – det största åtagandet som institutet har haft genom åren.

Det verkar vara ett intensivt jobb.

– Hade jag vetat vad jag hade framför mig hade jag tvekat att ta på mig det här, säger Jan-Erik Wahlund.

Den katastrof som ska hanteras just i dag handlar om vad som händer om det blir något fel så att farkosten går ner i säkerhetsläge. Då kommer den medelstora kommunikationsantennen automatiskt att söka efter jorden och börja sända starka signaler – oavsett om det finns något känsligt i vägen. Till exempel instrumenten i instrumentpaketet RPWI, som är byggda för att fånga upp mycket svaga signaler och som inte skulle klara en så stark störning från en närliggande antenn.

Med hundra olika delsystem som ska fungera tillsammans dyker det ständigt upp små och stora problem. Allt måste vara genomtänkt och testat och klart innan rymdsonden skickas ut i rymden. Den ska färdas fem gånger längre bort från solen än jorden befinner sig, och fungera under extrema förhållanden utan någon möjlighet att göra direkta reparationer. Allt måste hålla för åtta års färd och sedan flera års vetenskapliga undersökningar på plats.

En av alla komplikationer är att vissa delar av den speciella tekniken är mer eller mindre hemlig. Det finns både industrihemligheter och sekretess som har att göra med möjliga militära tillämpningar av radarteknik och strålningshärdig elektronik. Jan-Erik Wahlund har fått sin dator stulen. Inte bara en gång, utan två.

– Jag gissar att det var beställningsjobb, säger han.

Enligt Jan-Erik Wahlund hade tjuvarna inte mycket för sina ansträngningar, för han har ingen känslig information på sin hårddisk. Men numera är datorn fastlåst med en särskild anordning på skrivbordet.

Miljön runt Jupiter liknar inget som någon människa har upplevt.

– Om jag flyger dit i mitt rymdskepp från jorden kommer jag att överväldigas av att Jupiter är så stor, och att den roterar så snabbt, säger Gabriella Stenberg Wieser vid Institutet för rymdfysik i Kiruna.

Jupiters diameter är tio gånger så stor som jordens. Hela jorden skulle få plats i den stormvirvel som kallas för den röda fläcken. På nära håll skulle solsidan av Jupiter dominera synfältet. Återskenet från planeten skulle bidra med ljus, men totalt sett är det ändå väldigt dunkelt. På det här avståndet ger solen bara en tjugofemtedel av det ljus vi är vana vid på jorden.

Bristen på solljus är en utmaning även för rymdsondens strömförsörjning. Vissa rymdsonder har haft med sig en sorts batteri som drivs av värmen från radioaktiva ämnen. Juice ska lita helt till sina solpaneler, som därmed behöver vara rekordstora – ungefär 85 kvadratmeter.

I det svaga ljuset skulle vår tänkta astronaut ändå kunna se en del spännande fenomen även med blotta ögat.

– Man kunde få hoppas att se den här gejsern på Europa som man har sett från Hubbleteleskopet – eller som man i alla fall tror att man har sett, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Europa är en av de fyra månar som Galileo såg i sitt teleskop 1610, och en av de månar som Juice ska utforska. Många forskare tror numera att det finns ett flytande hav under isen. Rymdteleskopet Hubble har avbildat något som har tolkats som en plym av vatten från månen. När forskare senare tittade noggrannare på mätningar som gjordes av en rymdsond uppkallad efter Galileo på 1990-talet hittade de indirekta tecken, i form av skiftningar i magnetfältet och rörelser bland de laddade partiklarna, som också kan tolkas som att det sprutat upp flytande vatten från någon plats på Europa. Observationerna är osäkra, men passar ihop med uppfattningen om ett hav under den djupfrysta ytan.

Att skicka människor till Jupiter vore i vilket fall som helst inte någon bra idé, i alla fall inte med sådana rymdfarkoster som finns i dag. En anledning är det enormt starka magnetfältet från Jupiter. Om vi kunde se Jupiters magnetfält med blotta ögat härifrån jorden skulle det vara det största föremålet på himlen – mer än dubbelt så stort som fullmånen. Det skapar en miljö som gör rymdfysiker särskilt entusiastiska över att få skicka instrument just dit, men eftersom magnetfältet kan styra och accelerera strömmar av laddade partiklar är strålningsmiljön särskilt aggressiv.

– En människa skulle inte överleva. Inte ens kackerlackor som kan klara av allting skulle vara glada där, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Strålningen ställer till med särskilda svårigheter även för maskiner och elektronik. Allt behöver vara strålningshärdigt. Snabba elektroner tar sig rakt igenom alla material som Juice består av och kan ställa till problem i elektroniska kretsar. De kommer också att ge ett bakgrundsbrus som stör mätningar av andra fenomen. Det gäller att utforma mätningarna så att det går att urskilja den intressanta informationen man vill åt genom detta brus.

Det gäller i högsta grad också det instrumentpaket som Gabriella Stenberg Wieser arbetar med, Particle environment package, PEP. Det ska mäta partiklar av alla möjliga slag utom stora molekyler. Atomer och joner är långsamma och beskedliga jämfört med de snabba elektronerna, och det gäller att kunna identifiera dem i den ständiga elektronströmmen. Instrumenten ska kunna skilja mellan varje ämne, oavsett om det är en elektriskt laddad partikel eller neutral.

– Vi räknar hur många partiklar det finns av varje slag, och så vill vi ta reda på vad de är för gynnare, säger Gabriella Stenberg Wieser.

De ska inte bara identifiera partikelslag, utan också mäta vilken energi partiklarna har och varifrån de kommer. På så vis kan forskarna få mycket information om vilka processer som pågår i den här miljön och hur energi transporteras i magnetfälten. Den innersta av de fyra största månarna som upptäcktes av Galileo Galilei – Io – har kraftiga vulkanutbrott som slungar ut partiklar i Jupitersystemet, bland annat mycket svavel. Det verkar också finnas ett diffust band av material från månen Europa. Sprutar vatten ut från ytan kan PEP identifiera vatten­molekylerna.

Om vädret är rätt och allt fungerar som det ska kommer Juice att sändas upp från den europeiska rymdhamnen i Kourou i Franska Guyana den 13 april, eller kort därefter. Fungerar det inte då finns det ett annat tidsfönster i augusti som ger nästan samma bana genom rymden.

Det har varit en lång väg att komma fram till en flygfärdig rymdsond. Arbetet började omkring 2012.

– När vi fick ansvar för PEP var det som att vinna OS-guldmedalj. Det har krävt fler människor än vi någonsin har haft inblandade i någonting förut, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Genom åren har det varit många turer och ut­maningar. Kostnaderna har gått upp på grund av en ofördelaktig växelkurs. Kraven från Esa har ökat, inte minst när det gäller dokumentation.

Att arbeta med så speciella instrument innebär många särskilda utmaningar. RPWI liknar på många sätt instrumentpaket som har flugit tidigare, till exempel på Cassini som besökte Saturnus 2004–2017. Samtidigt har det hela förbättrats mycket. Jan-Erik Wahlund visar en artikel som beskriver att en särskild sensor är hundra gånger känsligare än motsvarigheten på Cassini var.

När de känsliga apparaterna testas på jorden kan de fånga upp helt oväntade saker. Som när forskarna gjorde ett försök med magnetfältsmätning i en fransk skog, och fick en tydlig störningssignal som ingen kunde begripa sig på.

– Tills det kom någon som faktiskt visste vad det var, och berättade att det var en sändarstation för marin kommunikation som fanns tiotals mil därifrån, berättar Jan Bergman.

Jan Bergman är tekniskt ansvarig för RPWI, och som har arbetatat med tester av instrumenten i ett labb som tillhör Airbus i Toulouse. Även i vanliga fall är arbetet omgärdat med tusen säkerhetsföreskrifter:

– Bara att klättra upp på en liten stege som är hög som en stol kräver ett särskilt certifikat, säger Jan Bergman.

Pandemin blev en extra utmaning ovanpå detta. Under nedstängningarna blev det svårt att resa. Jan Bergman fick peka och berätta vad som skulle göras med de olika delarna via videolänk. När han senare fick komma dit hittade han ändå detaljer som blivit fel och som fick rättas till. Det går inte att helt ersätta upplevelsen av att vara på plats och se och känna saker på riktigt.

På hemmaplan upprättade Institutet för rymd­fysik ett skiftsystem, där bara en eller två personer var på plats samtidigt. På det viset lyckades de hindra att viktiga nyckelpersoner blev sjuka i kritiska perioder av projektet. De klarade sig helt från smittan under ungefär två år.

Jupiter är en gasjätte, som består huvudsakligen av väte och helium. Planeten liknar på det viset många av de gasjätteplaneter som upptäckts kring andra stjärnor. Medan information om de avlägsna exoplaneterna med möda pusslas ihop från tekniskt svåra mätningar har Jupiter fördelen att finnas ganska nära så att den går att undersöka direkt. Den kan därför fungera som en modell för andra gasjättar. Att lära känna Jupiter bättre kan göra det lättare att tolka data från andra stjärnsystem.

Jupiter med sina månar kan också få vara modell för de allra minsta stjärnorna och deras planeter. Små röda dvärgstjärnor är de vanligaste stjärnorna i Vintergatan. Jupiter skulle visserligen behöva ha åttio gånger större massa för att kunna tända fusionsprocesser i sin kärna och bli en stjärna – men redan som det är liknar Jupitersystemet vissa kända stjärnsystem. Stjärnan Trappist-1 har till exempel sju kända planeter, och deras avstånd från sin stjärna är jämförbara med de galileiska månarnas avstånd från Jupiter.

Frågan om de möjliga haven under isen på Europa, och kanske också Callisto och Ganymedes, är intressant i kontexten av exoplaneter. Finns det flytande vatten skulle det kunna göra det möjligt för någon form av liv att existera. Och finns sådana miljöer här i solsystemet kan det också finnas kring andra stjärnor.

Juice kommer att ha ett omfattande och detaljerat program för att utforska de här månarna och deras omgivningar vid Jupiter. Juice kommer också att ha sällskap av en amerikansk sond som kallas Europa Clipper. Den är tänkt att sändas iväg först nästa år, men på en något snabbare bana. De båda sonderna kan göra kompletterande mätningar från olika punkter samtidigt. De kommer också att göra minst två gemensamma flygningar förbi Europa, varav en med bara ett par timmars mellanrum. Men samarbetet var i början inofficiellt.

– Så vi fick träffa dem på deras fritid – helger och kvällar. Fåniga begränsningar skiter vi fullständigt i, säger Jan-Erik Wahlund och ser nöjd ut.

Det finns flera olika metoder att undersöka de möjliga haven på Jupiters månar. Strömmar i salta hav genererar magnetfält, vars effekter går att fånga upp från en omloppsbana. Den metoden har använts för att undersöka havsströmmar på jorden, och ska förhoppningsvis fungera även på Jupiters månar. Juice ska också utnyttja strålning från Jupiter för att göra passiva radarmätningar. På så vis ska det gå att mäta isens tjocklek.

Den måne som Juice kommer att fokusera särskilt på är Ganymedes, som är den största månen i solsystemet och faktiskt större än planeten Merkurius. Ganymedes är den enda måne som har ett eget magnetfält. Det bildar en bubbla, en magnetosfär, inuti Jupiters magnetfält, vilket i sin tur skiljer Jupitersystemet från solvinden och solens magnetfält.

– Vi pratar ibland om det som en rysk docka, magnetfält i magnetfält i magnetfält, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Så fort Juice har sänts iväg från jorden börjar en ny fas i arbetet för de inblandade forskarna. Innan rymdsonden har hunnit långt bort från jorden är det ganska lätt att kommunicera med den. Då ska alla instrument testas enligt ett digert program. RPWI börjar genast med att fälla ut bommar och antenner. För PEP kommer de första testerna att ske efter ungefär tre månader.

– Eftersom våra instrument innehåller högspänningar vill vi först vara säkra på att det är bra vakuum i instrumenten så att vi inte får överslag, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Det tar nämligen minst sjuttio dagar innan de vågar lita på att vattenånga och annat material från sondens ytor har gasat bort och det blir tillräckligt bra vakuum kring instrumenten.

När testerna är klara hoppas många forskare på att det ska bli tillfälle att göra mätningar och få vetenskaplig utdelning redan på vägen. Bland annat ska Juice flyga förbi Venus, och då skulle det kunna gå att mäta intressanta saker. På färden förbi asteroid­bältet kan det också bli fråga om att göra mätningar.

Juice kommer fram till Jupiter 2031. Under tiden planeras de mätningar som ska göras där, in i minsta detalj. För att få ut så mycket vetenskap som möjligt förhandlar forskarna om tid och bandbredd. En begränsning är strömmen, eftersom solpanelerna inte kan försörja alla instrument samtidigt. En annan är den begränsade möjligheten att överföra data till jorden. För de intressantaste delarna av uppdraget kan instrumenten program­meras att lagra data och under en lugnare fas överföra de sparade mätningarna lite i taget.

Det blir intensivt i början, när alla mätningar ska kollas och kvalitetssäkras. Först kommer forskarna att fokusera på sina egna instrument.

– I början har man inte tid och energi att vara den nyfikna forskarsjälen, då har man nog med att försöka få sina egna saker att funka, säger Gabriella Stenberg Wieser.

Längre fram kan de olika grupperna samarbeta och lägga ihop olika typer av mätningar för att få en kombinerad bild av olika fenomen. Alla data kommer att släppas fria i forskarvärlden. Förmodligen kommer de att ligga till grund för forskning under flera decennier.