Кіріспе
Юпитермен соқтығысқан комета 1993 жылы астрономдар Кэролин және Юджин М. Шумейкер мен Дэвид Леви анықтады. Шоумейкер-Леви 9 кометасы Шоумейкерлер мен Леви ашқан тоғызыншы периодты комета (орбиталық кезеңі 200 жыл немесе одан аз) болды, сондықтан оның аты. Бұл олардың жалпы алғанда он бірінші кометалық ашылуы болды, оның ішінде екі периодты емес кометаның ашылуы, олар әртүрлі номенклатураны қолданады. Бұл жаңалық 1993 жылы 26 наурызда IAU 5725-ші хабарламасында жарияланды. Ашылған сурет Шоумейкер-Леви 9 кометасының ерекше комета екеніне алғашқы күшті дәлел берді, өйткені ол ұзындығы 50 доға секунд, ені 10 доға секундқа созылған аймақта бірнеше ядроны көрсетті. Астрономиялық телеграммалар жөніндегі орталық бюросының Брайан Г. Марсден комета Жерден көрінгендей, Юпитерден 4 градус қашықтықта ғана орналасқанын және бұл көрініс эффектісі болуы мүмкін болса да, оның көктегі көрінетін қозғалысы кометаның физикалық жағынан планетаға жақын екенін білдірді. Бірнеше басқа бақылаушылар 24 наурыздан бұрын алынған суреттерден кометаның суреттерін тапты, соның ішінде 15 наурыздағы суреттен Кин Эндате, 17 наурыздағы С. Отомо және 19 наурыздағы суреттерден Элеонора Хелин бастаған топ. 19 наурызда Шмидт фотосуреттегі кометаның суретін 21 наурызда М. Линдгрен Юпитер маңындағы кометаларды іздеу жобасында анықтады. Алайда, оның командасы кометалардың белсенді емес немесе ең жақсы жағдайда әлсіз шаң қабығын көрсетуін күткен, ал SL9 ерекше морфологияға ие болғандықтан, оның шынайы табиғаты 5 күннен кейін ресми жарияланғанға дейін танылмаған. 1993 жылдың наурыз айынан бұрын алынған суреттер табылған жоқ. Комета Юпитермен тұтқындалғанға дейін, ол, мүмкін, қысқа мерзімді комета болған, афелийі Юпитер орбитасының ішінде және перигелийі астероидтар белдеуінің ішкі бөлігінде болған. Объект Юпитер орбитасын айналып жүр деп айтуға болатын кеңістіктің көлемі Юпитердің Хилл сферасымен анықталады. 1960 жылдардың аяғында немесе 1970 жылдардың басында комета Юпитерден өткенде, ол афелийге жақын болды және өзін Юпитердің Хилл сферасының ішіне кішкене тапқан. Юпитердің тартылуы кометаны өзіне қарай итермеледі. Кометаның Юпитерге қатысты қозғалысы өте аз болғандықтан, ол Юпитерге қарай тура түсіп кетті, сондықтан ол Юпитер ортасындағы өте жоғары эксцентрикалық орбитаға түсті, яғни эллипс шамамен жалпақталды. Комета 1992 жылы 7 шілдеде Юпитерден өте жақын, оның бұлт түбегінің үстімен - Юпитердің радиусынан кіші қашықтықта және Юпитердің ең ішкі серігі Метистің орбитасы мен планетаның Рош шегінде өтті, оның ішінде су тасқыны күштері гравитациямен ғана біріктірілген денені бұзуға жеткілікті. Планеталық астрономдар үшін одан да қызықтысы - ең жақсы орбиталық есептеулер комета 1994 жылдың шілдесінде Юпитермен соқтығысу ықтималдығы өте жоғары екенін білдіретін, планетаның радиусынан кіші қашықтықтағы Юпитер ортасынан өтеді деп болжады. Зерттеулер ядролар тізбегі шамамен бес күн ішінде Юпитер атмосферасына құлайтынын көрсетті. Астрономдар SL9 көзге көрінетін бөлшектерінің көлемі бірнеше жүз метрден (шамамен 9 метр) дейін жететінін болжады, бұл бастапқы кометаның ядросы 1996 жылы Жердің қасынан өткенде өте жарық болған Хайакутаке кометасынан әлдеқайда үлкен болуы мүмкін екенін көрсетеді. Соқтығысу алдындағы үлкен пікірталастардың бірі - осындай кішкентай денелердің әсері Жерден байқалатын бола ма, тек бір мезгілде олар алып метеорлар сияқты ыдырап кетеді. Ең оптимистік болжам - бұл үлкен, асимметриялық баллистикалық от шары Юпитердің аяғының үстінен көтеріліп, Жерден көрінетін күн сәулесінде болады. Соқтығыстардың басқа әсерлері - планетаны аралап жүрген сейсмикалық толқындар, соқтығыстардан шыққан шаңның әсерінен планетадағы стратосфералық тұманның артуы және Юпитер сақиналар жүйесінің массасының артуы. Алайда, мұндай зілзаланың бұрын-соңды болмағандығын ескерсек, астрономдар оқиғаның не туралы айтуға болатынын алдын ала болжаудан сақ болды. Бұл оқиғалардың болжамдық күні жақындаған сайын, күту күтімі арта түсті, ал астрономдар Жердегі телескоптарды Юпитерде жаттықтырды. Бірнеше ғарыш обсерваториялары да солай істеді, соның ішінде Хаббл ғарыш телескобы, РОСАТ рентген сәулелерін бақылаушы спутник, В. М. Кек обсерваториясы және 1995 жылы Юпитермен кездесуге жоспарланған Галилео ғарыш кемесі. Жерге жанасулар Жерден жасырынған жерде болғанмен, Галилей планетадан алыста болғандықтан, жанасуларды өз көздерімен көріп отырды. Юпитердің жылдам айналысы соқтығысқан жерлерді Жердегі бақылаушыларға соқтығысқаннан кейін бірнеше минуттан кейін көрінуге мүмкіндік берді. Сол кездегі соқтығыстарды бақылаған басқа да ғарыш зондтары болды: негізінен күн бақылауларына арналған Улисс ғарыш кемесі, ол өз орнынан Юпитерге бағытталды, ал алысқа кетіп бара жатқан Вояджер 2 зонды, 1989 жылы Нептунмен кездескеннен кейін, 1–390 кГц диапазонында радио шығарылымды іздеуге және оның ультракүлгін спектрометрімен бақылаулар жасауға бағдарламаланды. Астроном Иан Морисон соқтығыстарды былай сипаттады:
Бірінші соқтығыс 1994 жылғы 16 шілдеде сағат 20:13 UTC-де болды, [кометаның] ядросының А фрагменті Юпитердің оңтүстік жартышарына шамамен түсті. Галилеодағы құралдар шамамен температураға жеткен от шарын анықтады, бұл Юпитердің бұлт қақпасының әдеттегі температурасынан жоғары. Содан кейін ол тез кеңейіп, шамамен температураға дейін салқындады. От шарынан шыққан түйін тез биіктікке көтерілді және HST арқылы байқалды. От шары анықталғаннан кейін бірнеше минуттан кейін Галилео планетаға түсіп жатқан материалдың әсерінен қайтадан қыздыруды өлшеді. Жердегі бақылаушылар алғашқы соқтығыстан кейін шамамен аяғынан көтерілген от шарын байқады. Жарияланған болжамдарға қарамастан, соқтығыстардың басқа атмосфералық әсерлерінің Жерден қаншалықты көрінетіні туралы ешкімнің идеясы болмады. Бақылаушылар жақын арада алғашқы соқтығыстан кейін үлкен қара дақ байқады; дақ Жерден көрінетін. Осы және келесі қара дақтар соқтығыстардан шыққан қиыршықтардың салдары болды деп саналды және соқтығыс бағытының алдында жартылай ай тәрізді пішіндес болды. Келесі алты күн ішінде 21 ерекше соқтығыс байқалды, ең үлкені 18 шілдеде сағат 07:33 UTC-де болды, G фрагменті Юпитерге тиді. Бұл соқтығыс шамамен Жер диаметріне тең (шамамен 140 000 км) қара дақ жасады және шамамен 6 000 000 мегатонна TNT (әлемдік ядролық қарулардың 600 еселенгені) энергиясын шығарды деп бағаланды. 19 шілдедегі 12 сағат арасындағы екі соқтығыс G фрагментінен туған соқтығыс іздерімен салыстырылатын соқтығыс іздерін жасады, ал соқтығыстар 22 шілдеге дейін жалғасты, W фрагменті планетаға тиді.
The comet was discovered by astronomers Carolyn and Eugene M. Shoemaker, and David Levy in 1993. Comet Shoemaker–Levy 9 was the ninth periodic comet (a comet whose orbital period is 200 years or less) discovered by the Shoemakers and Levy, thence its name. It was their eleventh comet discovery overall including their discovery of two non periodic comets, which use a different nomenclature. The discovery was announced in IAU Circular 5725 on March 26, 1993. The discovery image gave the first hint that comet Shoemaker–Levy 9 was an unusual comet, as it appeared to show multiple nuclei in an elongated region about 50 arcseconds long and 10 arcseconds wide. Brian G. Marsden of the Central Bureau for Astronomical Telegrams noted that the comet lay only about 4 degrees from Jupiter as seen from Earth, and that although this could be a line of sight effect, its apparent motion in the sky suggested that the comet was physically close to the planet. Several other observers found images of the comet in precovery images obtained before March 24, including Kin Endate from a photograph exposed on March 15, S. Otomo on March 17, and a team led by Eleanor Helin from images on March 19. An image of the comet on a Schmidt photographic plate taken on March 19 was identified on March 21 by M. Lindgren, in a project searching for comets near Jupiter. However, as his team were expecting comets to be inactive or at best exhibit a weak dust coma, and SL9 had a peculiar morphology, its true nature was not recognised until the official announcement 5 days later. No precovery images dating back to earlier than March 1993 have been found. Before the comet was captured by Jupiter, it was probably a short period comet with an aphelion just inside Jupiter's orbit, and a perihelion interior to the asteroid belt. The volume of space within which an object can be said to orbit Jupiter is defined by Jupiter's Hill sphere. When the comet passed Jupiter in the late 1960s or early 1970s, it happened to be near its aphelion, and found itself slightly within Jupiter's Hill sphere. Jupiter's gravity nudged the comet towards it. Because the comet's motion with respect to Jupiter was very small, it fell almost straight toward Jupiter, which is why it ended up on a Jove centric orbit of very high eccentricity—that is to say, the ellipse was nearly flattened out. The comet had apparently passed extremely close to Jupiter on July 7, 1992, just over above its cloud tops—a smaller distance than Jupiter's radius of , and well within the orbit of Jupiter's innermost moon Metis and the planet's Roche limit, inside which tidal forces are strong enough to disrupt a body held together only by gravity. More exciting for planetary astronomers was that the best orbital calculations suggested that the comet would pass within of the center of Jupiter, a distance smaller than the planet's radius, meaning that there was an extremely high probability that SL9 would collide with Jupiter in July 1994. Studies suggested that the train of nuclei would plow into Jupiter's atmosphere over a period of about five days. Astronomers estimated that the visible fragments of SL9 ranged in size from a few hundred metres (around ) to across, suggesting that the original comet may have had a nucleus up to across—somewhat larger than Comet Hyakutake, which became very bright when it passed close to the Earth in 1996. One of the great debates in advance of the impact was whether the effects of the impact of such small bodies would be noticeable from Earth, apart from a flash as they disintegrated like giant meteors. The most optimistic prediction was that large, asymmetric ballistic fireballs would rise above the limb of Jupiter and into sunlight to be visible from Earth. Other suggested effects of the impacts were seismic waves travelling across the planet, an increase in stratospheric haze on the planet due to dust from the impacts, and an increase in the mass of the Jovian ring system. However, given that observing such a collision was completely unprecedented, astronomers were cautious with their predictions of what the event might reveal.]] Anticipation grew as the predicted date for the collisions approached, and astronomers trained terrestrial telescopes on Jupiter. Several space observatories did the same, including the Hubble Space Telescope, the ROSAT X ray observing satellite, the W. M. Keck Observatory, and the Galileo spacecraft, then on its way to a rendezvous with Jupiter scheduled for 1995. Although the impacts took place on the side of Jupiter hidden from Earth, Galileo, then at a distance of from the planet, was able to see the impacts as they occurred. Jupiter's rapid rotation brought the impact sites into view for terrestrial observers a few minutes after the collisions. Two other space probes made observations at the time of the impact: the Ulysses spacecraft, primarily designed for solar observations, was pointed towards Jupiter from its location away, and the distant Voyager 2 probe, some from Jupiter and on its way out of the Solar System following its encounter with Neptune in 1989, was programmed to look for radio emission in the 1–390 kHz range and make observations with its ultraviolet spectrometer. Astronomer Ian Morison described the impacts as following:
The first impact occurred at 20:13 UTC on July 16, 1994, when fragment A of the [comet's] nucleus slammed into Jupiter's southern hemisphere at about Instruments on Galileo detected a fireball that reached a peak temperature of about , compared to the typical Jovian cloud top temperature of about It then expanded and cooled rapidly to about The plume from the fireball quickly reached a height of over and was observed by the HST. A few minutes after the impact fireball was detected, Galileo measured renewed heating, probably due to ejected material falling back onto the planet. Earth based observers detected the fireball rising over the limb of the planet shortly after the initial impact. Despite published predictions, and did not have any idea how visible the other atmospheric effects of the impacts would be from Earth. Observers soon saw a huge dark spot after the first impact; the spot was visible from Earth. This and subsequent dark spots were thought to have been caused by debris from the impacts, and were markedly asymmetric, forming crescent shapes in front of the direction of impact. Over the next six days, 21 distinct impacts were observed, with the largest coming on July 18 at 07:33 UTC when fragment G struck Jupiter. This impact created a giant dark spot over (almost one Earth diameter) across, and was estimated to have released an energy equivalent to 6,000,000 megatons of TNT (600 times the world's nuclear arsenal). Two impacts 12 hours apart on July 19 created impact marks of similar size to that caused by fragment G, and impacts continued until July 22, when fragment W struck the planet.
Химиялық зерттеулер
Байқаушылар бұл соққылар оларға бұлттардың астындағы Юпитерді алғаш рет көруге мүмкіндік береді деп үміттенді, себебі кометаның жоғары атмосфераны тесіп өткен сынықтары төменгі қабаттарды ашып көрсетті. Спектроскопиялық зерттеулер Юпитер спектрінде диатомдық күкірт (S2) және көмір дисульфиді (CS2) салдарынан сіңу сызықтарын анықтады, бұл Юпитерде S2-нің алғашқы және кез келген астрономиялық нысанда екінші рет тіркелген жағдайы болды. Табылған басқа молекулаларға аммиак (NH3) және сутек сульфиді (H2S) кірді. Бұл қосылыстардың мөлшері бойынша күкірттің көлемі кішкентай кометалық ядрода күтілетін мөлшерден әлдеқайда артық болды, бұл Юпитердің ішкі қабаттарынан материал көрініп тұрғанын көрсетті. Астрономдарды таң қалдырғандай, күкірт диоксиді сияқты оттегі бар молекулалар анықталмады. Бұл молекулалардан өзге, темір, магний және кремний сияқты ауыр атомдардың эмиссиясы да тіркелді, олардың мөлшері кометалық ядрода кездесетін мөлшерге сәйкес келді. Судың мол мөлшері спектроскопиялық тұрғыдан анықталғанымен, ол күтілгеннен кем болды, яғни бұлттардың астында бар деп есептелген су қабаты болжамнан жұқарақ болды немесе кометалық сынықтар жеткілікті тереңдікке енбеді.
Басқа ескертулер
Радиобайқаулар ең үлкен соққыдан кейін белгілі бір толқын ұзындығындағы үздіксіз сәулеленудің күрт өсуін көрсетті, бұл планетадан таралатын қалыпты сәулеленудің 120%-ына дейін жетті. Бұл синхротрондық сәулеленудің нәтижесі деп есептелді, ол жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалған релятивистік электрондардың – яғни, жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен қозғалған электрондардың – соққы арқылы Юпитердің магнит сферасына енуінен туындады. K фрагменті Юпитерге енгеннен шамамен бір сағат өткен соң, бақылаушылар соққы орнының маңындағы және Юпитердің күшті магнит өрісіне қатысты соққы орнының антиподындағы жарық шығарылымдарын тіркеді. Юпитердің ішкі магнит өрісі мен соққы орнының геометриясы туралы білімнің жетіспеуіне байланысты бұл эмиссиялардың себебін анықтау қиын болды. Мүмкін болған бір түсіндіру бойынша, соққы толқынының жоғары қарай үдеуі зарядталған бөлшектерді магнит полюсіне жақын планета атмосферасына шабуылдайтын жылдам қозғалатын күн жел бөлшектерімен байланысты құбылыс сияқты, жарық шығаруға жеткілікті жылдамдыққа дейін үдетті. Кейбір астрономдар бұл соққылардың Юпитер мен оның белсенді жанартаулы серігі Ио арасындағы жоғары энергиялы бөлшектер торы – Ио торусына айтарлықтай әсер етуі мүмкін екенін ұсынды. Жоғары ажыратымдылықтағы спектроскопиялық зерттеулер соққы кезінде және одан кейін ион тығыздығының, айналу жылдамдығының және температураның өзгеруі қалыпты шектерде болғанын көрсетті. Voyager 2 жарылыстан кейін ешқандай аномальды ультракөк сәуле немесе радиосигнал деңгейін тіркеген жоқ. Сондай-ақ, Ulysses ешқандай аномальды радиожиіліктерді анықтамады. Бұл болжамдар кейіннен байқаулар арқылы расталған санаулы болжамдардың бірі болды. Соққылардың таң қалдырған жайттарының бірі – бұрынғы болжамдармен салыстырғанда судың аз мөлшерде табылуы болды. Соққыға дейін Юпитер атмосферасының модельдері ең үлкен фрагменттердің 30 килопаскальдан бірнеше ондаған мегапаскальға дейін (0,3-тен бірнеше жүз барға дейін) атмосфералық қысымда ыдырауы мүмкін екенін көрсетті, ал кейбір болжамдар бойынша комета су қабатына еніп, Юпитердің сол аймағында көгілдір тұманды жасайды деп күтілді. Спектроскопиялық бақылаушылар аммиак пен көміртек дисульфидінің соқтығысқаннан кейін кем дегенде он төрт ай бойы атмосферада сақталғанын анықтады, сонымен қатар, тропосферадағы қалыпты орнына қарағанда, стратосферада аммиактың көп мөлшері анықталды. Керісінше, атмосфера температурасы үлкен соққы орнында кіші соққы орнына қарағанда әлдеқайда жылдам қалыпты деңгейге түсті: үлкен соққы орнында температура кең аймақта көтерілді, бірақ соққыдан кейін бір апта ішінде қалыпты деңгейге оралды. Кіші соққы орнында температура айналадағыдан 10 К (10 °C; 18 °F) жоғары шамамен екі апта бойы сақталды. Соққыдан кейін жаһандық стратосфералық температуралар бірден көтеріліп, содан кейін 2-3 аптадан кейін соққыға дейінгі температурадан төмен түсті, бірақ кейін баяу қалыпты температураға дейін көтерілді.
Соқтығысу жиілігі
SL9 Юпитер орбитасында бір уақыт айналған жалғыз емес; бес комета (соның ішінде 82P/Gehrels, 147P/Kushida–Muramatsu және 111P/Helin–Roman–Crockett) планетамен уақытша тұтқындалғаны белгілі. Юпитер маңындағы кометалық орбиталар тұрақсыз, себебі олар жоғары эллипстік болады және Күннің тартылысынан апожовта (планетадан орбитаның ең алыс нүктесі) күшті бұзылуға ұшырауы мүмкін. Күн жүйесіндегі ең ауыр планета Юпитер объектілерді салыстырмалы түрде жиі ұстай алады, бірақ SL9-дың көлемі оны сирек кездесетін нәрсе етеді: соқтығысқаннан кейінгі бір зерттеу көрсеткендей, диаметріндегі кометалар планетаға шамамен 500 жылда бір рет соқтығысады, ал диаметріндегілер – бар болғаны 6000 жылда бір рет. Бұрын кометалар фрагменттерге бөлініп, Юпитер мен оның серіктерімен соқтығысқандығына күшті дәлелдер бар. "Вояджер" миссиялары кезінде планета ғалымдары Каллистода 13 кратер тізбегін және Ганимедте 3 кратер тізбегін анықтады, олардың пайда болуы бастапқыда жұмбақ болды. Айдағы кратер тізбектері көбінесе үлкен кратерлерден басталады және олардың бастапқы шығарылған материалдың екінші соқтығысынан пайда болғаны саналады, бірақ Юпитердің серіктеріндегі тізбектер үлкен кратерге алып келе қоймады. SL9-дың соқтығысы осы тізбектердің спутниктерге шағылысқан кометалық фрагменттердің тізбектерінен пайда болғанын көрсетті.
2009 жылғы 19 шілдедегі әсері
2009 жылдың 19 шілдесінде, SL9 соқтығысынан дәл 15 жыл өткен соң, Юпитердің оңтүстік жарты шарында Тынық мұхиты сияқты үлкен жаңа қара дақ пайда болды. Термиялық инфрақызыл өлшемдер соқтығыс орнының жылу екенін көрсетті, ал спектроскопиялық талдау Юпитер атмосферасының жоғарғы қабаттарында артық ыстық аммиак пен кремнийге толы шаңның пайда болғанын анықтады. Ғалымдар тағы бір соқтығыс болғанына келісті, бірақ бұл жолы себебі тығыз әрі күштірек объекті болды, бәлкім, әлі ашылмаған кішкентай астероид.
Күн жүйесінің ішкі бөлігін қорғауда Юпитердің рөлі
SL9-дың Юпитермен өзара әрекеттесуі Юпитердің ішкі планеталарды жұлдызаралық және жүйелік қалдықтардан қорғаудағы рөлін айқын көрсетті, ол Күн жүйесі үшін «космикалық шаңсорғыш» қызметін атқарады (Юпитер кедергісі). Планетаның күшті гравитациялық әсері көптеген шағын кометалар мен астероидтарды тартады және Юпитерге кометалардың тию жиілігі Жердегіден 2000-8000 есе жоғары деп есептеледі. Құс емес динозаврлардың Бор дәуірінің соңында жойылуы, әдетте, Бор-Палеоген соқтығысу оқиғасынан туындады деп саналады, ол Чиксулуб кратерін құрады, бұл кометалардың Жердегі өмірге нақты қауіп төндіретінін көрсетеді. Астрономдар Юпитердің зор гравитациясы болмаса, Жерде жойылу оқиғалары жиірек болып, күрделі өмір пайда бола алмауы мүмкін екенін болжайды. Бұл – сирек кездесетін Жер гипотезасында қолданылатын аргументтің бір бөлігі. 2009 жылы Күн жүйесінде Юпитердің орнында кішкентай планетаның болуы кометалардың Жерге тию жиілігін едәуір арттыра алатыны көрсетілді. Юпитердің массасымен тең планета астероидтардан қорғауды күшейтеді, бірақ Күн жүйесіндегі барлық орбиталық денелерге тигізетін жалпы әсері әлі анық емес. Бұл және басқа да жаңа модельдер Юпитердің Жерге тиюлерге тигізетін әсерінің мәніне күмән тудырады.