Komet Shoemaker-Levy 9

Hubble-Weltraumteleskop Bild des Kometen Shoemaker-Levy 9, aufgenommen am 17. Mai 1994.

Komet Shoemaker-Levy 9 ( SL9 , formell bezeichnet D/1993 F2 ) war ein Komet mit dem kollidierte Jupiter im Jahr 1994 und lieferte die erste direkte Beobachtung der Kollision von zwei Sonnensystem Objekte. Dies führte zu einer großen Berichterstattung in den populären Medien, und SL9 wurde von genau beobachtet Astronomen weltweit. Der Komet lieferte viele Enthüllungen über Jupiter und seine Atmosphäre und betonte Jupiters Rolle bei der Reduzierung von Weltraumschrott im inneren Sonnensystem.

Die Astronomen Carolyn und Eugene M. Shoemaker und David Levy entdeckten den Kometen, den elften, den sie gefunden hatten. Es heißt 'Schuhmacher-Abgabe 9', weil nur periodisch Kometen werden auf diese Weise nummeriert; Das Shoemaker-Levy-Team hat zusätzlich zu den neun periodischen vier nicht periodische Kometen entdeckt. Shoemaker-Levy 9 wurde in der Nacht zum 24. März 1993 auf einem Foto geortet, das mit dem 0,4-Meter-Schmidt-Teleskop am Mount-Palomar-Observatorium aufgenommen wurde Kalifornien . Im Gegensatz zu allen anderen zuvor entdeckten Kometen umkreiste er nicht den Jupiter, sondern den Jupiter Sonne .

SL9 bestand aus Teilen mit einem Durchmesser von bis zu 2 Kilometern und wurde vermutlich während einer nahen Begegnung im Juli 1992 von Jupiters Gezeitenkräften auseinandergerissen. Diese Fragmente kollidierten zwischen dem 16. Juli und Jupiters südlicher Hemisphäre 22. Juli 1994 mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 Kilometern pro Sekunde (37 Meilen pro Sekunde). Die markanten Narben der Einschläge waren noch viele Monate nach dem Einschlag auf Jupiter zu sehen, und Beobachter beschrieben sie als leichter sichtbar als die Großer roter Fleck .

Entdeckung

Der Komet Shoemaker-Levy 9 (SL9) wurde in der Nacht des 24. März 1993 von Shoemakers und Levy entdeckt, die ein Beobachtungsprogramm zur Entdeckung erdnaher Objekte durchführten. Der Komet war also eine zufällige Entdeckung, die jedoch schnell die Ergebnisse ihres Hauptbeobachtungsprogramms überschattete. Die Entdeckung wurde am 27. März 1993 im IAU-Rundschreiben 5725 bekannt gegeben. Anschließend fanden mehrere andere Beobachter den Kometen auf Bildern, die vor dem 24. März aufgenommen wurden, darunter K. Endate von einem am 15. März aufgenommenen Foto, S. Otomo am 17. März und a Team unter der Leitung von Eleanor Helin von Bildern am 19. März .

Das Entdeckungsbild gab den ersten Hinweis darauf, dass SL9 ein ungewöhnlicher Komet war, da er mehrere Kerne in einem länglichen Bereich von etwa 50 Bogensekunden Länge und 10 Bogensekunden Breite zu zeigen schien. Brian Marsden vom Central Bureau for Astronomical Telegrams stellte fest, dass der Komet von der Erde aus gesehen nur etwa 4 Grad vom Jupiter entfernt lag, und dass dies zwar natürlich ein Projektionseffekt sein könnte, seine scheinbare Bewegung jedoch darauf hindeutete, dass er sich physisch nahe am Riesenplaneten befand . Aus diesem Grund schlug er vor, dass die Shoemakers und David Levy die Fragmente eines Kometen entdeckt hatten, der von Jupiters zerstört worden war Schwere .

Ein Komet, der den Jupiter umkreist

Eine Montage von Bildern von Jupiter und dem Kometen, die die relative Größe und den Einschlagswinkel zeigt.

Umlaufbahnstudien des neuen Kometen ergaben bald, dass er im Gegensatz zu allen anderen zuvor entdeckten Kometen eher den Jupiter als den umkreiste Sonne . Seine Umlaufbahn um Jupiter war sehr locker gebunden, mit einer Periode von etwa 2 Jahren und einem Apojove (am weitesten von Jupiter entfernt) von 0,33 Astronomischen Einheiten (AE) (49,4 Millionen km). Seine Umlaufbahn um den Planeten war stark exzentrisch ( und = 0,9986).

Die Rückverfolgung der Umlaufbahn des Kometen ergab, dass er Jupiter seit einiger Zeit umkreist. Es scheint höchstwahrscheinlich, dass es in den frühen 1970er Jahren aus einer Sonnenumlaufbahn eingefangen wurde, obwohl die Aufnahme bereits Mitte der 1960er Jahre stattgefunden haben könnte. Bisher wurden keine Precovering-Bilder gefunden, die vor März 1993 entstanden sind. Bevor der Komet von Jupiter eingefangen wurde, war er wahrscheinlich ein kurzperiodischer Komet mit einem Aphel direkt innerhalb der Jupiterbahn und einem Perihel innerhalb des Asteroidengürtels.

Das Raumvolumen, in dem ein Objekt Jupiter umkreisen soll, wird durch Jupiters Hill-Sphäre (auch Roche-Sphäre genannt) definiert. Als der Komet Ende der 1960er oder Anfang der 1970er Jahre Jupiter passierte, befand er sich zufällig in der Nähe seines Aphels und befand sich leicht innerhalb der Jupiter-Hügel-Sphäre. Jupiters Schwerkraft schob den Kometen darauf zu. Da die Bewegung des Kometen in Bezug auf Jupiter sehr klein war, fiel er fast direkt in Jupiter, weshalb er auf einer jupiterzentrischen Umlaufbahn mit sehr hoher Exzentrizität endete – das heißt, die Ellipse wurde nahezu abgeflacht.

Der Komet war offenbar am 7. Juli 1992 extrem nahe an Jupiter vorbeigezogen, knapp über 40.000 km über den Wolkendecken des Planeten – eine geringere Entfernung als Jupiters Radius von 70.000 km und deutlich innerhalb der Umlaufbahn von Jupiters innerstem Mond Metis und der des Planeten Roche-Limit , in dem die Gezeitenkräfte stark genug sind, um einen Körper zu zerstören, der nur durch die Schwerkraft zusammengehalten wird. Obwohl sich der Komet Jupiter zuvor schon sehr nahe gekommen war, schien die Begegnung am 7. Juli bei weitem am nächsten zu sein, und es wird angenommen, dass die Fragmentierung des Kometen zu dieser Zeit stattgefunden hat. Jedes Fragment des Kometen wurde mit einem Buchstaben bezeichnet Alphabet , von 'Fragment A' bis 'Fragment W', eine Praxis, die bereits von zuvor beobachteten aufgebrochenen Kometen etabliert wurde.

Noch spannender für Planetenastronomen war, dass die besten Orbitallösungen darauf hindeuteten, dass der Komet innerhalb von 45.000 km am Zentrum des Jupiter vorbeiziehen würde, einer Entfernung, die kleiner als der Radius des Planeten ist, was bedeutet, dass eine extrem hohe Wahrscheinlichkeit bestand, dass SL9 im Juli mit Jupiter kollidieren würde 1994. Studien deuteten darauf hin, dass der Kernzug ​​über einen Zeitraum von etwa fünf Tagen in Jupiters Atmosphäre einpflügen würde.

Vorhersagen für die Kollision

Astronomen am STSCI warten auf die ersten Bilder vom Einschlag von Fragment A.

Die Entdeckung, dass der Komet wahrscheinlich mit Jupiter kollidieren würde, löste große Aufregung innerhalb der astronomischen Gemeinschaft und darüber hinaus aus, da Astronomen noch nie zuvor zwei bedeutende Körper des Sonnensystems kollidieren gesehen hatten. Es wurden intensive Studien des Kometen durchgeführt, und als seine Umlaufbahn genauer bestimmt wurde, wurde die Möglichkeit einer Kollision zur Gewissheit. Die Kollision würde Wissenschaftlern eine einzigartige Gelegenheit bieten, in Jupiters Atmosphäre zu schauen, da erwartet wurde, dass die Kollisionen Materialausbrüche aus den normalerweise unter den Wolken verborgenen Schichten verursachen würden.

Astronomen schätzten, dass die sichtbaren Fragmente von SL9 zwischen einigen hundert Metern und höchstens einigen Kilometern groß waren, was darauf hindeutet, dass der ursprüngliche Komet einen Kern mit einem Durchmesser von bis zu 5 km gehabt haben könnte – etwas größer als Komet Hyakutake , das sehr hell wurde, als es 1996 nahe an der Erde vorbeizog. Eine der großen Debatten im Vorfeld des Einschlags war, ob die Auswirkungen des Einschlags solch kleiner Körper von der Erde aus spürbar sein würden, abgesehen von einem Blitz, wenn sie sich auflösten Riese Meteore .

Andere vorgeschlagene Auswirkungen der Einschläge waren seismische Wellen, die über den Planeten wandern, eine Zunahme des stratosphärischen Dunsts auf dem Planeten aufgrund von Staub von den Einschlägen und eine Zunahme der Masse des Jupiter-Ringsystems. Da die Beobachtung einer solchen Kollision jedoch völlig beispiellos war, waren Astronomen vorsichtig mit ihren Vorhersagen darüber, was das Ereignis offenbaren könnte.

Auswirkungen

Jupiter in Ultraviolett (etwa 2,5 Stunden nach dem Aufprall von R)

Die Vorfreude war groß, als das vorhergesagte Datum für die Kollisionen näher rückte und Astronomen ihre Teleskope auf Jupiter richteten. Mehrere Weltraumobservatorien taten dasselbe, einschließlich der Hubble-Weltraumteleskop , der Röntgenbeobachtungssatellit ROSAT, und bezeichnenderweise die Raumsonde Galileo, dann auf dem Weg zu einem für 1996 geplanten Rendezvous mit Jupiter 1,6 AE vom Planeten entfernt, könnten die Einschläge sehen, während sie auftraten. Jupiters schnelle Rotation würde die Einschlagstellen wenige Minuten nach den Kollisionen für terrestrische Beobachter sichtbar machen.

Zwei andere Satelliten führten zum Zeitpunkt des Einschlags Beobachtungen durch: die Raumsonde Ulysses, die hauptsächlich für Solar- Beobachtungen, wurde von seinem 2,6 AE entfernten Standort auf Jupiter gerichtet, und die entfernte Sonde Voyager 2, etwa 44 AE von Jupiter entfernt und auf dem Weg aus dem Sonnensystem nach ihrer Begegnung mit Neptun im Jahr 1989, war darauf programmiert, nach Radioemissionen zu suchen den 1–390-kHz-Bereich.

HST-Bilder eines Feuerballs vom ersten Einschlag, der über dem Rand des Planeten erscheint.

Der erste Einschlag ereignete sich am 16. Juli 1994 um 20:15 UTC, als Fragment A des Kerns mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 km/s auf die Südhalbkugel des Jupiter einschlug. Instrumente auf Galileo entdeckten einen Feuerball, der eine Spitzentemperatur von etwa 24.000 K erreichte, verglichen mit der typischen Jupiter-Wolkentemperatur von etwa 130 K, bevor er sich ausdehnte und nach 40 Sekunden schnell auf etwa 1500 K abkühlte. Die Wolke des Feuerballs erreichte schnell eine Höhe von über 3.000 km. Wenige Minuten nachdem der Einschlagfeuerball entdeckt wurde, maß Galileo eine erneute Erwärmung, wahrscheinlich aufgrund von ausgestoßenem Material, das auf den Planeten zurückfiel. Beobachter auf der Erde entdeckten den Feuerball, der kurz nach dem ersten Einschlag über dem Rand des Planeten aufstieg.

Astronomen hatten erwartet, die Feuerbälle der Einschläge zu sehen, hatten aber keine Ahnung, wie sichtbar die atmosphärischen Auswirkungen der Einschläge von der Erde aus sein würden. Beobachter sahen nach dem ersten Einschlag bald einen riesigen dunklen Fleck. Der Fleck war sogar in sehr kleinen Teleskopen sichtbar und hatte einen Durchmesser von etwa 6.000 km (ein Erdradius). Es wurde angenommen, dass dieser und nachfolgende dunkle Flecken durch Trümmer der Einschläge verursacht wurden und deutlich asymmetrisch waren und sichelförmige Formen vor der Einschlagsrichtung bildeten.

In den nächsten 6 Tagen wurden 21 diskrete Einschläge beobachtet, wobei der größte am 18. Juli um 07:34 UTC erfolgte, als Fragment G auf Jupiter einschlug. Dieser Einschlag erzeugte einen riesigen dunklen Fleck mit einem Durchmesser von über 12.000 km und es wurde geschätzt, dass eine Energie freigesetzt wurde, die 6.000.000 Megatonnen TNT entspricht (750-mal das nukleare Arsenal der Welt). Zwei Einschläge im Abstand von 12 Stunden am 19. Juli hinterließen Einschlagspuren von ähnlicher Größe wie die von Fragment G verursachten, und die Einschläge dauerten bis zum 22. Juli, als Fragment W den Planeten traf.

Beobachtungen und Entdeckungen

Chemische Studien

Braune Flecken markieren Einschlagstellen auf der Südhalbkugel von Jupiter.

Beobachter hofften, dass die Einschläge ihnen einen ersten Blick auf Jupiter unter den Wolkendecken geben würden, da unteres Material von den Kometenfragmenten freigelegt wurde, die durch die obere Atmosphäre schossen. Spektroskopische Studien zeigten Absorptionslinien im Jupiter-Spektrum aufgrund von Diatomeen Schwefel (S _zwei ) und Schwefelkohlenstoff (CS _zwei ), der erste Nachweis von entweder in Jupiter und nur der zweite Nachweis von S _zwei in jedem astronomischen Objekt. Andere nachgewiesene Moleküle eingeschlossen Ammoniak (NH ₃ ) und Schwefelwasserstoff (H _zwei S). Die Menge an Schwefel, die durch die Mengen dieser Verbindungen impliziert wurde, war viel größer als die Menge, die in einem kleinen Kometenkern zu erwarten wäre, was zeigt, dass Material aus dem Inneren des Jupiter freigelegt wurde. Sauerstoff -haltige Moleküle wie Schwefeldioxid wurden zur Überraschung der Astronomen nicht nachgewiesen.

Sowie diese Moleküle, Emission von schweren Atome wie zum Beispiel Eisen , Magnesium und Silizium wurde entdeckt, wobei die Häufigkeit dieser Atome mit dem übereinstimmt, was in einem Kometenkern gefunden würde. Spektroskopisch wurde zwar beträchtliches Wasser nachgewiesen, aber nicht so viel wie zuvor vorhergesagt, was bedeutet, dass entweder die angenommene Wasserschicht unter den Wolken dünner war als vorhergesagt oder dass die Kometenfragmente nicht tief genug eindrangen.

Seismische Wellen

Wie zuvor vorhergesagt, erzeugten die Kollisionen enorme seismische Wellen, die mit Geschwindigkeiten von 450 km/s über den Planeten fegten und nach den größten Einschlägen über zwei Stunden lang beobachtet wurden. Diese Wellen schienen Gravitationswellen zu sein, aber ihre Position war umstritten. Es wurde angenommen, dass sich die Wellen in einer stabilen Schicht ausbreiten, die als Wellenleiter fungiert, und einige Wissenschaftler glaubten, dass die stabile Schicht innerhalb der hypothetischen troposphärischen Wasserwolke liegen muss. Andere Beweise schienen jedoch darauf hinzudeuten, dass die Kometenfragmente die Wasserschicht nicht erreicht hatten und sich die Wellen stattdessen in der Stratosphäre ausbreiteten.

Andere Beobachtungen

Eine Sequenz von Galileo-Bildern, die im Abstand von mehreren Sekunden aufgenommen wurden und das Erscheinen des Feuerballs von Fragment W auf der dunklen Seite des Jupiter zeigen.

Radio Beobachtungen zeigten einen starken Anstieg der Kontinuumsemission bei einer Wellenlänge von 21 cm nach den größten Einschlägen, die bei 120 % der normalen Emission des Planeten ihren Höhepunkt erreichten. Es wurde angenommen, dass dies auf Synchrotronstrahlung zurückzuführen ist, die durch die Injektion von Relativisten verursacht wird Elektronen durch die Einschläge in die Jupiter-Magnetosphäre.

Etwa eine Stunde nachdem Fragment K in Jupiter eingedrungen war, registrierten Beobachter Polarlichter in der Nähe der Einschlagsregion sowie am Antipoden der Einschlagstelle in Bezug auf Jupiters starkes Magnetfeld. Die Ursache dieser Emissionen war aufgrund fehlender Kenntnisse über Jupiters internes Magnetfeld und die Geometrie der Einschlagstellen schwer zu ermitteln. Eine mögliche Erklärung war, dass die nach oben beschleunigten Stoßwellen des Aufpralls geladene Teilchen ausreichend beschleunigten, um eine Polarlichtemission zu verursachen, ein Phänomen, das eher mit sich schnell bewegenden Sonnenwindteilchen in Verbindung gebracht wird, die eine Planetenatmosphäre in der Nähe eines Magnetpols treffen.

Einige Astronomen hatten angedeutet, dass die Einschläge einen spürbaren Einfluss auf den Io-Torus haben könnten, einen Torus aus hochenergetischen Teilchen, der Jupiter mit dem Hochpunkt verbindet vulkanisch Mond Io. Hochauflösende spektroskopische Studien ergaben, dass Schwankungen der Ionendichte, der Rotationsgeschwindigkeit und der Temperaturen zum Zeitpunkt des Aufpralls und danach innerhalb der normalen Grenzen lagen.

Post-Impact-Analyse

Aufprallstelle von Fragment G mit asymmetrischem Auswurfmuster.

Eine der Überraschungen der Einschläge war die geringe Wassermenge, die im Vergleich zu früheren Vorhersagen freigelegt wurde. Vor dem Einschlag hatten Modelle der Jupiteratmosphäre darauf hingewiesen, dass das Aufbrechen der größten Fragmente bei einem atmosphärischen Druck von 300 Kilopascal bis zu einigen Megapascal (von drei bis zu einigen hundert Bar) erfolgen würde, und die meisten Astronomen erwarteten, dass die Einschläge auftreten würden würde eine hypothetische wasserreiche Schicht unter den Wolken durchdringen.

Astronomen beobachteten nach den Kollisionen keine großen Wassermengen, und spätere Impaktstudien ergaben, dass die Fragmentierung und Zerstörung der Kometenfragmente in einem „Luftstoß“ wahrscheinlich in viel höheren Höhen stattfanden als zuvor erwartet, wobei selbst die größten Fragmente durch den Druck zerstört wurden erreichte 250 kPa (2,5 bar), weit über der erwarteten Tiefe der Wasserschicht. Die kleineren Fragmente wurden wahrscheinlich zerstört, bevor sie überhaupt die Wolkenschicht erreichten.

Längerfristige Auswirkungen

Die sichtbaren Narben der Einschläge waren noch viele Monate nach dem Einschlag auf Jupiter zu sehen. Sie waren extrem prominent, und Beobachter beschrieben sie sogar als leichter sichtbar als die Großer roter Fleck . Eine Suche nach historischen Beobachtungen ergab, dass die Flecken wahrscheinlich die auffälligsten vorübergehenden Merkmale waren, die jemals auf dem Planeten gesehen wurden, und dass der Große Rote Fleck zwar für seine auffällige Farbe bemerkenswert ist, aber keine Flecken von der Größe und Dunkelheit derjenigen, die durch die SL9-Einschläge verursacht wurden jemals zuvor aufgezeichnet wurden.

Spektroskopische Beobachter fanden heraus, dass Ammoniak und Schwefelkohlenstoff mindestens vierzehn Monate nach den Kollisionen in der Atmosphäre verblieben, wobei eine beträchtliche Menge Ammoniak in der Stratosphäre vorhanden war, im Gegensatz zu seiner normalen Position in der Troposphäre.

Entgegen der Intuition fiel die atmosphärische Temperatur an den größeren Einschlagsstellen viel schneller auf normale Werte als an den kleineren Stellen: An den größeren Einschlagsstellen stiegen die Temperaturen über eine Region mit einer Breite von 15.000–20.000 km, fielen aber innerhalb einer Woche wieder auf normale Werte der Auswirkung. An kleineren Standorten hielten die Temperaturen um 10 K über der Umgebung für fast zwei Wochen an. Die globalen Stratosphärentemperaturen stiegen unmittelbar nach den Einschlägen an, fielen dann 2–3 Wochen später unter die Temperaturen vor dem Einschlag, bevor sie langsam auf normale Temperaturen anstiegen.

Häufigkeit der Auswirkungen

Eine Kette von Kratern auf Ganymed, wahrscheinlich verursacht durch ein ähnliches Einschlagsereignis. Das Bild umfasst eine Fläche von etwa 120 Meilen im Durchmesser.

Seit dem Einschlag von SL9 wurden zwei weitere sehr kleine Kometen entdeckt, die Jupiter umkreisen. Studien haben gezeigt, dass der Planet mit Abstand der massereichste der Welt ist Sonnensystem , kann ziemlich häufig Kometen aus der Sonnenumlaufbahn in die Jupiterumlaufbahn einfangen.

Kometenbahnen um Jupiter sind im Allgemeinen instabil, da sie stark elliptisch sind und wahrscheinlich durch die Schwerkraft der Sonne am Apojove (dem am weitesten vom Planeten entfernten Punkt auf der Umlaufbahn) stark gestört werden. Studien haben geschätzt, dass Kometen wahrscheinlich ein- oder zweimal pro Jahrhundert in Jupiter einschlagen, aber der Einschlag von Kometen von der Größe von SL9 ist viel seltener – wahrscheinlich nicht öfter als einmal pro Jahrtausend.

Es gibt sehr starke Beweise dafür, dass Kometen zuvor fragmentiert und mit Jupiter und seinen Satelliten kollidiert sind. Während der Voyager-Missionen zum Planeten identifizierten Planetenwissenschaftler 13 Kraterketten auf Callisto und drei auf Ganymed, deren Ursprung zunächst ein Rätsel war. Kraterketten auf dem gesehen Mond gehen oft von großen Kratern aus und werden vermutlich durch sekundäre Einschläge der ursprünglichen Auswurfmassen verursacht, aber die Ketten auf den Jupitermonden führten nicht zu einem größeren Krater zurück. Der Einschlag von SL9 deutete stark darauf hin, dass die Ketten auf Züge von zerstörten Kometenfragmenten zurückzuführen waren, die auf die Satelliten prallten.

Jupiter als 'kosmischer Staubsauger'

Der Einschlag von SL9 verdeutlichte Jupiters Rolle als eine Art 'kosmischer Staubsauger' für das innere Sonnensystem. Studien haben gezeigt, dass der starke Gravitationseinfluss des Planeten zu vielen kleinen Kometen führt und Asteroiden mit dem Planeten kollidieren, und es wird angenommen, dass die Rate der Kometeneinschläge auf Jupiter zwischen zwei- und achttausend Mal höher ist als die Rate auf der Erde

Wenn Jupiter nicht vorhanden wäre, könnten diese kleinen Körper stattdessen mit den inneren Planeten kollidieren.

Das Aussterben der Dinosaurier am Ende von Kreide Es wird allgemein angenommen, dass diese Periode durch das Einschlagsereignis verursacht wurde, das den Chicxulub-Krater geschaffen hat, was zeigt, dass Einschläge eine ernsthafte Bedrohung für das Leben auf der Erde darstellen. Astronomen haben spekuliert, dass Extinktionsereignisse auf der Erde viel häufiger gewesen sein könnten und komplexes Leben sich möglicherweise nicht hätte entwickeln können, wenn Jupiter potenzielle Impaktoren nicht beseitigt hätte. Dies ist Teil des Arguments, das in der Hypothese der seltenen Erden verwendet wird.