Shoemaker–Levy 9

Oppdagelse

Under et observasjonsprogram for å avdekke jordnære objekter, oppdaget Shoemaker og Levy kometen natt til 24. mars 1993 ved bruk av et bilde tatt med Schmidt-teleskopet ved Palomar Observatory i California. Oppdagelsen var derfor tilfeldig, men samtidig en som raskt overskygget resultatene fra det opprinnelige observasjonsprogrammet.
Shoemaker–Levy 9 var den niende periodiske kometen – en komet med omløpsperiode på 200 år eller mindre – som ble oppdaget av Shoemaker og Levy. Derav kommer også kometens navn. Totalt var det deres ellevte kometoppdagelse, inkludert to ikke-periodiske kometer som bruker en annen nomenklatur. Oppdagelsen ble kunngjort i IAU Circular nr. 5725 den 27. mars 1993.
Oppdagelsesbildet ga de første hintene om at dette var en uvanlig komet, siden den tilsynelatende hadde flere kjerner i en utstrakt region på ca. 50 buesekunder i lengde og 10 buesekunder i bredde. Brian Marsden ved Central Bureau for Astronomical Telegrams bemerket at kometen lå kun 4 grader fra Jupiter sett fra jorden, og at selv om dette selvsagt kunne komme av siktlinjepåvirkninger, antydet den tilsynelatende bevegelsen på himmelen at den fysisk var nærme gasskjempen. På grunn av dette foreslo han at Shoemaker og Levy hadde oppdaget fragmenter av en komet som hadde blitt påvirket av Jupiters gravitasjon.

Komet i bane rundt Jupiter

Studier av banen til kometen avslørte raskt at den gikk i bane rundt Jupiter snarere en solen, i motsetning til alle andre kometer som var kjent på den tiden. Banen rundt Jupiter var svært løst bundet, med en periode på ca. 2 år og en apsis – punktet i banen som lå lengst unna planeten – på 0,33 astronomiske enheter (49 000 000 km). Banen rundt planeten var svært eksentrisk (e = 0,9986).
Sporinger av kometens banebevegelser viste at den hadde gått i bane rundt Jupiter en stund. Det synes mest sannsynlig at den ble fanget fra en bane rundt solen tidlig på 1970-tallet, selv om innfangingen kan ha skjedd så tidlig som midt på 1960-tallet. Flere andre observatører fant i ettertid bilder av kometen i precovery-bilder tatt før 24. mars, inkludert Kin Endate på et bilde eksponert 15. mars, S. Otomo 17. mars og et lag ledet av Eleanor Helin på bilder tatt 19. mars. Det har ikke blitt funnet noen precovery-bilder fra før mars 1993. Før kometen ble innfanget av Jupiter, var den sannsynligvis en kortperiodisk komet med en aphelium like innenfor Jupiters bane og en perihelium innenfor asteroidebeltet.
Volumet av rom innenfor der hvor et objekt kan sies å gå i bane rundt Jupiter er definert av Jupiters Hill-sfære (også kalt Roche-sfæren). Da kometen passerte Jupiter sent på 1960-tallet eller tidlig på 1970-tallet, var den så nær sin aphelium og befant seg like innenfor Jupiters Hill-sfære. Jupiters gravitasjon trakk kometen mot seg. Siden kometens bevegelse i forhold til Jupiter var svært liten, falt den nesten rett mot Jupiter, og det forklarer hvorfor den endte opp i en Jupiter-sentrisk bane med svært høy eksentrisitet – det vil si ellipsen ble nesten flatet ut.
Kometen hadde tilsynelatende passert ekstremt nær Jupiter den 7. juli 1992, like over 40 000 km over planetens skytopper – en avstand som er mindre enn Jupiters radius på 70 000 km og godt innenfor Jupiters innerste måne Metis. Det er også innenfor planetens Rochegrense hvor tidevannskreftene er tilstrekkelig store til å kunne rive et legeme som holdes sammen av gravitasjon i stykker. Selv om kometen hadde passert nær Jupiter tidligere, syntes passeringen 7. juli å være den klart nærmeste, og fragmenteringen av kometen antas å ha oppstått på dette tidspunktet. Hvert av fragmentene ble gitt en bokstav fra alfabetet, fra «fragment A» til «fragment W», i henhold til gjeldende praksiser fra tidligere oppdelte kometer.
Mer spennende for planetastronomer var at de beste baneprognosene antydet at kometen ville passere innenfor 45 000 km av Jupiters sentrum, en avstand som er mindre enn planetens sentrum og ville betydd at det var en ekstremt høy sannsynlighet for at SL9 ville kollidere med Jupiter i juli 1994. Studier antydet at «toget» av kjerne ville pløye inn i Jupiters atmosfære over en periode på rundt fem dager.

Spådommer for kollisjonen

Oppdagelsen av at kometen sannsynligvis ville kollidere med Jupiter førte til stor spenning i de astronomiske kretsene, og også utenfor, siden astronomer aldri før hadde sett to betydelige legemer i solsystemet kollidere. Det ble gjennomført omfattende studier av kometen, og etter hvert som banen ble mer nøyaktig fastslått ble også muligheten for en kollisjon en sikkerhet. Kollisjonen ville gi en unik mulighet for forskere til å se innsiden av Jupiters atmosfære siden det var forventet at kollisjonen ville føre til at materiale fra underliggende lag ville bli virvlet opp.
Astronomer anslo at de synlige fragmentene fra SL9 varierte i størrelse fra et par hundre meter til to kilometer i diameter, og at den opprinnelige kometen hadde en kjerne opp mot 5 km i diameter – noe større enn Hyakutakes komet, som var svært lyssterk da den passerte nær jorden i 1996. En av diskusjonene i forkant av nedslaget var om hvorvidt effektene av et nedslag fra et så lite legeme ville være synlig fra jorden, med unntak av glimtet når de ble oppløst som gigantiske meteorer. Andre foreslåtte effekter etter nedslaget var seismiske bølger over planeten, en økning i stratosfærisk tåke på planeten på grunn av oppvirvlet materiale, og en økning i massen til ringsystemet. Fordi observasjonen var enestående, var imidlertid astronomene forsiktige med sine spådommer for hva hendelsen kunne føre til.

Nedslag

Forventningene vokste etter hvert som den forutsagte datoen for kollisjonen nærmet seg, og astronomer rettet teleskopene mot Jupiter. Flere romobservatorier gjorde det samme, inkludert Hubble-teleskopet, ROSAT, røntgenobserverende satellitter og spesielt Galileo-sonden, som da var på vei mot Jupiter. Nedslaget fant imidlertid sted på den siden av Jupiter som ikke synes fra jorden, men Galileo-sonden, som da var 1,6 AE fra planeten, var i stand til å fange opp nedslagene da de fant sted. Jupiters raske rotasjon gjorde at nedslagsstedene ble synlige for jordlige observatører noen få minutter etter kollisjonene.
Ytterligere to satellitter gjorde observasjoner rundt tidspunktet for nedslagene. Ulysses-sonden, primært designet for observasjoner av solen, ble rettet mot Jupiter fra sin beliggenhet 2,6 AE unna, og Voyager 2, som da var ca. 44 AE unna på sin ferd fra Jupiter mot Neptun, ble programmert til å se etter radiostråling i området 1–390 kHz.
Det første nedslaget fant sted kl. 20:13 UTC den 16. juli 1994 da «fragment A» av kjernen gikk inn i Jupiters sørlige halvkule med en hastighet på rundt 60 km/s. Instrumenter på Galileo oppdaget en ildkule som nådde en topptemperatur på ca. 24 000 K, sammenlignet med den typiske temperaturen i Jupiters skytopper på ca. 130 K, før den utvidet seg og raskt ble avkjølt til ca. 1 500 K (1 227 °C) etter 40 s. Røykskyen etter ildkulen nådde raskt en høyde på over 3 000 km. Kort tid etter at ildkulen ble oppdaget, målte Galileo fornyet varme, sannsynligvis på grunn av oppvirvlet materialer som falt tilbake mot planeten. Jordbaserte observatører observerte ildkulen som steg over kanten av planeten like etter det første nedslaget.
Astronomer hadde forventet å se ildkuler fra nedslagene, men de hadde ingen anelse på forhånd om hvor synlig de atmosfæriske påvirkningene av nedslaget ville være fra jorden. Observatører så raskt en stor, mørk flekk etter det første nedslaget. Flekken var til og med synlig med svært små teleskoper, og anslås å ha vært ca. 6 000 km i diameter – tilsvarende én jordradie. Denne og etterfølgende mørke flekker antas å ha blitt forårsaket av rester etter nedslagene, og var tydelig asymmetriske med en hornform i forkant av nedslagets retning.
I løpet av de neste seks dagene ble det observert 21 ulike nedslag, hvor det største kom 18. juli kl. 07:33 UTC da «fragment G» traff Jupiter. Dette nedslaget førte til en gigantisk mørk flekk med en diameter på over 12 000 km, og det estimeres at nedslaget frigjorde energi tilsvarende 6 000 000 megatonn med TNT, eller 600 ganger verdens arsenal av kjernefysiske våpen. To nedslag med 12 timers mellomrom den 19. juli førte til lignende nedslagsmerker som «fragment G», og nedslagene fortsatte til 22. juli da «fragment W» traff planeten.

Kjemiske studier

Observatører håpet at nedslagene ville gi de første glimtene av Jupiter under skytoppene når  fragmentene slo gjennom den øvre atmosfæren og traff de nedenforliggende materialene. Spektroskopiske studier avslørte absorpsjonsliner i Jupiters spektrum på grunn av diatomisk svovel (S₂ og karbondisulfid (CS₂). Dette var første gang begge disse stoffene ble oppdaget på Jupiter. Det var også andre gang S₂ var blitt oppdaget på et himmellegeme. Det var tidligere bare kjent fra Jupitermånen Io. I tillegg ble det funnet spor etter ammoniakk (NH₃ og hydrogensulfid (H₂). Mengden av svovel implisert av andelen av disse sammensetningene var mye større enn forventet i en liten kometkjerne, og viste at materialet fra Jupiters indre kom frem. Overraskende nok ble det ikke oppdaget oksygenbærende molekyler som svoveldioksid.
Det ble også oppdaget utslipp fra tunge atomer som jern, magnesium og silisium med forekomster som stemmer overens med det som ville blitt funnet i en kometkjerne. Det ble også oppdaget vann ved hjelp av spektroskopi, men ikke så mye som forventet. Dette kom enten av at vannlaget som var antatt å ligge under skyene var tynnere enn forutsagt, eller at kometfragmentene ikke gikk dypt nok. De relativt lave forekomstene av vann ble senere bekreftet av Galileos atmosfæriske sonde som utforsket Jupiters atmosfære direkte.

Bølger

Som forutsagt skapte kollisjonen enorme bølger som feide over planeten, med hastigheter opp mot 450 km/s, og som ble observert i over to timer etter de største nedslagene. Bølgene var antatt å ferdes i et stabilt lag som fungerte som en bølgeleder, og noen forskere trodde at det stabile laget måtte ligge i de hypotetiske vannholdige skyene i troposfæren. Andre beviser antydet imidlertid at fragmentene fra kometen ikke hadde nådd laget med vann, og at bølgene i stedet ble spredt i stratosfæren.

Andre observasjoner

Radioobservasjoner avslørte en skarp økning i utsluppet av kontinuum ved en bølgelengde på 21 cm etter de største nedslagene, og at disse hadde topper på 120 % av normalutslippet fra planeten. Det antas at dette kom av synkrotronstråling forårsaket av tilførsel av relativistiske elektroner – elektroner med hastigheter nær lysets – i Jupiters magnetosfære under nedslagene.
Rundt en time etter at «fragment K» gikk inn i Jupiter registrerte observatører polarlys nær nedslagsområdet, i tillegg til antipodalen til nedslagstedet i forhold til Jupiters sterke magnetfelt. Grunnen til denne utstrålingen var vanskelig å fastslå på grunn av manglende kunnskap om Jupiters indre magnetfelt og på grunn av nedslagstedenes geometri. En mulig forklaring er at de oppoverakselererende sjokkbølgene fra nedslaget akselererte ladde partikler tilstrekkelig til å forårsake polarlys – et fenomen som mer typisk forbindes med raskt bevegende solvindpartikler som treffer planeters atmosfære nær en magnetisk pol.
Noen astronomer hadde antydet at nedslagene kunne ha en merkbar effekt på Io-torusen, en torus med høyenergetiske partikler som forbinder Jupiter med den svært vulkanske månen Io. Høyt oppløste spektroskopiske studier viste at variasjoner i ionenes tetthet, rotasjonshastighet og temperatur på tidspunktet for nedslagene, og etter, var innenfor de normale grensene.

Analyser etter nedslagene

En av overraskelsene ved nedslagene var den lille mengden med vann som ble oppdaget sammenlignet med tidligere spådommer. Før nedslaget hadde modeller av Jupiter gitt indikasjoner på at oppløsningen av de største fragmentene ville oppstå ved et atmosfærisk trykk fra hvor som helst fra 30 kilopascal til noen titalls megapascal (fra 0,3 til et par hundre bar). Noen indikasjoner gikk også på at kometen ville trenge gjennom et lag av vann og føre til et blåaktig dekke i den regionen av Jupiter.
Astronomene observerte ingen store mengder vann i etterkant av kollisjonene, og senere studier av nedslagene viste at fragmenteringen og ødeleggingen av kometfragmentene i en 'lufteksplosjon' sannsynligvis oppstod mye høyere enn tidligere antatt, hvor selv de største fragmentene ble ødelagt når trykket nådde 250 kPa (36 psi), godt over den forventede dybden på laget med vann. De mindre fragmentene ble sannsynligvis ødelagt før de nådde ned til skylaget.

Langtidsvirkninger

De synlige arrene etter nedslagene kunne ses på Jupiter i flere måneder. De var ekstremt fremtredende, og observatører beskrev dem som lettere å se enn selv den store røde flekken. Et søk gjennom historiske observasjoner avslørte at flekkene sannsynligvis var de mest prominente forbigående formasjonene noen gang sett på planeten, og at ingen flekker med samme størrelse og like mørke som de forårsaket av SL9-nedlsagene har blitt registrert tidligere.
Spektrokopiske observatører fant ut at ammoniakk og karbondisulfid vedvarte i atmosfæren i minst fjorten måneder etter kollisjonen, med en betydelig mengde ammoniakk til stede i stratosfæren i motsetning til den normale plasseringen i troposfæren.
Temperaturen i atmosfæren ved de største nedslagstedene sank tilbake til normale nivåer mye raskere en ved de mindre stedene. Ved de større nedslagene ble temperaturen forhøyet over et område på 15 000–20 000 km, men sank tilbake til normale nivåer innen en uke etter nedslagene. Ved de mindre nedslagene varte temperaturer på 10 K over normalen i nesten to uker. Den globale stratosfæriske temperaturen steg umiddelbart etter nedslagene, før den sank tilbake til temperaturen før nedslagene 2–3 uker etter, før den igjen steg sakte tilbake til normale temperaturer.

Nedslagsfrekvens

Shoemaker–Levy 9 er ikke unik når det gjelder å gå i bane rundt Jupiter over lengre tid. Fem kometer, inkludert 82P/Gehrels, 147P/Kushida–Muramatsu og 111P/Helin–Roman–Crockett, er kjent å ha vært midlertidig fanget av planeten. Kometbanene rundt Jupiter er ustabile siden de vil være svært elliptiske og sannsynligvis sterkt perturbert av solens gravitasjon ved apsis – det fjerneste punktet i banen fra planeten.
Som den klart mest massive planeten i solsystemet kan Jupiter fange objekter relativt ofte, men størrelsen på SL9 gjør denne hendelsen relativt sjelden. En studie viser at kometer med en diameter på 0,3 km treffer planeten ca. én gang hvert 500 år, og de med en diameter på 1,6 km så sjelden som hvert 6 000 år.
Det finnes sterke beviser for at kometer tidligere har kollidert med Jupiter og dens satellitter. I løpet av Voyager-oppdragene til planeten identifiserte forskere 13 kraterkjeder på Callisto og tre på Ganymedes. Opphavet til disse var den gang et mysterium. Kraterkjeder sett på månen går ofte ut fra større kratre, og antas å være sekundærnedslag fra oppkastet materiale, men kjedene sett på de jovianske månene førte ikke tilbake til noe større krater. Nedslagene til SL9 impliserer at kjedene kommer fra tog av kometfragmenter som en gang kolliderte med satellittene.

Nedslaget 19. juli 2009

19. juli 2009 dukket det opp en ny mørk flekk på størrelse med Stillehavet på Jupiters sørlige halvkule. Termiske infrarøde målinger viste at nedslagstedet var varmt og spektroskopiske analyser oppdaget dannelsen av overflødig varm ammoniakk og silisiumrikt støv i de øvre regionene av Jupiters atmosfære. Forskere konkluderte med at et nytt nedslag hadde funnet sted, men denne gangen var det et mer kompakt og solid objekt, sannsynligvis en liten uoppdaget asteroide, som kolliderte.

Jupiter som «kosmisk støvsuger»

Shoemaker–Levy 9s nedslag fremhevet Jupiters rolle som en slags «kosmisk støvsuger» – eller som antikkens planetologer refererte til menneskekroppens viktige organer, en form for «kosmisk lever» – for det indre solsystemet. Planetens sterke gravitasjonelle påvirkning fører til at mange mindre kometer og asteroider kolliderer med planeten, og mengden nedslag fra kometer på Jupiter antas å være mellom to og åtte tusen ganger høyere enn for jorden. Hvis Jupiter ikke fantes, ville asteroidenedslagene på solsystemets indre planeter sannsynligvis vært langt høyere.
Utryddelsen av dinosaurene mot slutten av kritt-perioden antas generelt å ha blitt forårsaket av kritt-paleogen-nedslaget som førte til Chicxulubkrateret, som viser at nedslag er en alvorlig trussel mot liv på jorden. Astronomer har spekulert i at uten Jupiter til å fange opp potensielle nedslagsobjekter, kunne utryddelser skje langt oftere på jorden og at komplekst liv kanskje ikke ville vært i stand til å utvikle seg. Dette er også en del av argumentene brukt i Rare Earth hypothesis.
I 2009 ble det vist at tilstedeværelsen av en mindre planet på Jupiters sted i solsystemet kanskje ville ha økt nedslagsfrekvensen for kometer på jorden betydelig. En planet med Jupiters masse synes fortsatt å gi økt beskyttelse mot asteroider, men de totale effektene av alle banelegemene i solsystemet er fortsatt uklare.