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シューメーカー・レヴィ第9彗星（正式名称はD/1993 F2）は、1992年7月に分裂し、 1994年7月に木星に衝突した彗星で、太陽系天体の地球外衝突を初めて直接観測した事例となった。[ 5 ]この出来事は一般メディアで大きく取り上げられ、世界中の天文学者によって綿密に観測された。この衝突は木星に関する新たな情報をもたらし、太陽系内側の宇宙ゴミを減らす上で木星が果たす可能性のある役割を浮き彫りにした。
この彗星は、1993 年に天文学者のキャロリン・シューメーカーとユージン・M・シューメーカー、そしてデビッド・レヴィによって発見されました。 [ 6 ]シューメーカー・レヴィ第 9 彗星 (SL9) は木星に捕らえられ、当時木星の周りを公転していました。カリフォルニア州パロマー天文台の46 cm (18インチ)シュミット望遠鏡で撮影された 2 枚の写真で、3 月 24 日の夜に発見されました。惑星の周りを公転していることが観測された最初の活動的な彗星であり、おそらく 20 ～ 30 年ほど前に木星に捕らえられたと考えられています。
計算によると、この彗星が異常に断片化した形状になったのは、1992年7月に木星に接近したことが原因であることが分かった。当時、シューメーカー・レヴィ第9彗星の軌道は木星のロッシュ限界内を通過しており、木星の潮汐力が彗星を引き裂くように作用した。その後、この彗星は直径最大2km （1.2マイル）の断片として観測された。これらの断片は、1994年7月16日から22日の間に、木星の南半球に約60km/s（37マイル/秒）（木星の脱出速度）または216,000km/h（134,000マイル/時）の速度で衝突した。衝突による目立つ傷跡は、大赤斑よりもはっきりと見え、何ヶ月も続いた。
地球近傍天体を発見するための観測プログラムを実施していたシューメーカー夫妻とレヴィ氏は、1993年3月24日の夜、カリフォルニア州パロマー天文台の46cm （1.51フィート）シュミット望遠鏡で撮影した2枚の写真からシューメーカー・レヴィ第9彗星を発見した。この彗星は偶然の発見であったが、すぐに彼らの主要な観測プログラムの成果を覆い隠すことになった。[ 7 ]
シューメーカー・レヴィ第9彗星は、シューメーカーとレヴィによって発見された9番目の周期彗星（公転周期が200年以下の彗星）であり、その名もそこから付けられました。これは、異なる命名法を用いる2つの非周期彗星の発見を含め、彼らが発見した11番目の彗星です。この発見は、1993年3月26日にIAU回覧5725で発表されました。[ 6 ]
発見された画像は、シューメーカー・レヴィ第9彗星が珍しい彗星であることを初めて示唆するもので、長さ約50秒角、幅約10秒角の細長い領域に複数の核が見られるように見えた。中央天文電報局のブライアン・G・マースデンは、地球から見ると彗星は木星からわずか4度しか離れておらず、これは視線効果かもしれないが、空での見かけの動きから、彗星が物理的に惑星に近いことを示唆していると指摘した。[ 6 ]
新彗星の軌道研究により、当時知られていた他のどの彗星とも異なり、太陽ではなく木星を周回していることがすぐに明らかになった。木星を周回する軌道は非常に緩く、周期は約2年、遠点（軌道上で惑星から最も遠い点）は0.33天文単位（4900万キロメートル、3100万マイル）であった。惑星を周回する軌道は非常に偏心していた（e = 0.9986）。[ 8 ]
彗星の軌道運動を遡って調べたところ、しばらくの間木星の周りを公転していたことが判明した。1970年代初頭に太陽軌道から捕獲された可能性が高いが、捕獲自体は1960年代半ばに起こった可能性もある。[ 9 ]他にも数名の観測者が、3月24日以前に取得された回収前の画像で彗星の画像を発見しており、3月15日に撮影された写真から金遠達氏、3月17日に大友悟氏、 3月19日の画像からエレノア・ヘリン氏率いるチームなどが挙げられる。[ 10 ] 3月19日に撮影されたシュミット式写真乾板に写った彗星の画像は、木星付近の彗星を探すプロジェクトで、3月21日にM.リンドグレン氏によって特定された。[ 11 ]しかし、彼のチームは彗星は活動していないか、せいぜい弱い塵のコマを示すだけだと予想していたため、SL9は特異な形態をしていたため、その真の性質は5日後の公式発表まで認識されなかった。1993年3月以前の回収前の画像は見つかっていない。彗星が木星に捕らえられる前は、おそらく木星の軌道のすぐ内側に遠日点があり、小惑星帯の内側に近日点がある短周期彗星だった。[ 12 ]
物体が木星の周りを公転していると言える空間の体積は、木星のヒル球によって定義されます。1960年代後半または1970年代初頭に彗星が木星を通過したとき、彗星はたまたま遠日点付近にあり、木星のヒル球の内側にわずかに位置していました。木星の重力が彗星を木星の方へ押しやりました。彗星の木星に対する運動は非常に小さかったため、彗星はほぼまっすぐ木星に向かって落下し、その結果、非常に高い離心率を持つ木星中心の軌道、つまり楕円がほぼ平らになった軌道に乗ることになりました。[ 13 ]
彗星は1992年7月7日に木星に極めて接近し、雲頂からわずか4万km（2万5千マイル）強の距離を通過した。これは木星の半径7万km（4万3千マイル）よりも小さく、木星の最も内側の衛星メティスの軌道と、重力だけで結合している天体を破壊するほど潮汐力が強いロッシュ限界の範囲内にある。 [ 13 ]彗星は以前にも木星に接近したことがあったが、7月7日の接近はこれまでで最も接近したように見え、この時に彗星の分裂が起こったと考えられている。彗星の各破片は、「破片A」から「破片W」までアルファベットの文字で表され、これは以前に観測された分裂した彗星から確立された慣習である。[ 14 ]
惑星天文学者にとってさらに刺激的だったのは、最良の軌道計算によると、この彗星は木星の中心から45,000 km (28,000マイル)以内を通過すると予測されたことであり、これは木星の半径よりも小さい距離であるため、SL9 が 1994 年 7 月に木星に衝突する可能性が非常に高いことを意味していた。 [ 15 ]研究によると、一連の核は 5 日ほどかけて木星の大気に突入すると予測された。[ 13 ]
彗星が木星に衝突する可能性が高いという発見は、天文学界内外で大きな興奮を巻き起こした。なぜなら、天文学者たちはこれまで太陽系の二つの重要な天体が衝突するのを見たことがなかったからである。彗星の集中的な研究が行われ、その軌道がより正確に確立されるにつれて、衝突の可能性は確実なものとなった。衝突は、通常は雲の下に隠れている層から物質が噴出すると予想されたため、科学者にとって木星の大気内部を観察するまたとない機会となるだろう。[ 8 ]
天文学者たちは、SL9 の目に見える破片の大きさは数百メートル (約1,000フィート)から2 キロメートル (1.2マイル)に及ぶと推定しており、元の彗星の核は最大5 km (3.1マイル)の大きさだった可能性があると示唆している。これは、1996 年に地球に接近した際に非常に明るくなった百武彗星よりもやや大きい。衝突に先立つ大きな議論の 1 つは、巨大な流星のように崩壊する際の閃光を除いて、そのような小さな天体の衝突の影響が地球から目に見えるかどうかであった。[ 16 ]最も楽観的な予測は、大きく非対称な弾道火球が木星の縁の上空に上昇し、太陽光の中に入って地球から見えるだろうというものだった。[ 17 ] 衝突によるその他の影響として、惑星を横断する地震波、衝突による塵による惑星の成層圏の霞の増加、木星環系の質量の増加などが示唆された。しかし、このような衝突を観測することは全く前例がなかったため、天文学者たちはこの出来事が何を明らかにするかについての予測には慎重であった。[ 8 ]
衝突の予測日が近づくにつれて期待が高まり、天文学者たちは地上望遠鏡を木星に向けていた。ハッブル宇宙望遠鏡、ROSAT X線観測衛星、WMケック天文台、そして当時1995年に予定されていた木星とのランデブーに向かっていたガリレオ探査機など、いくつかの宇宙天文台も同様の観測を行った。衝突は地球から見えない木星の側で発生したが、当時木星から1.6天文単位（2億4000万km、1億5000万マイル）の距離にあったガリレオは、衝突が発生した瞬間を観測することができた。木星の高速回転により、衝突後数分で衝突地点が地上の観測者に見えるようになった。[ 19 ]
衝突当時、他の2つの宇宙探査機も観測を行っていた。太陽観測を主目的に設計されたユリシーズ探査機は、 2.6 AU (3億9000万km、2億4000万マイル)離れた位置から木星に向けており、 1989年に海王星に遭遇した後、太陽系を離れる途中の木星から約44 AU (66億km、41億マイル)離れたボイジャー 2探査機は、1〜390 kHzの電波放射を探し、紫外線分光計で観測を行うようにプログラムされていた。[ 20 ]
天文学者のイアン・モリソンは、その影響を次のように説明した。
最初の衝突は1994年7月16日20時13分（UTC）に発生し、彗星の核の破片Aが木星の南半球に約60 km/s（35 mi/s）の速度で衝突した。ガリレオ探査機の機器は、ピーク温度が約24,000 K（23,700 °C; 42,700 °F）に達した火球を検出した。これは、典型的な木星の雲頂温度である約130 K（-143 °C; -226 °F）と比較して高い。その後、火球は膨張し、急速に冷却されて約1,500 K（1,230 °C; 2,240 °F）になった。火球からの噴煙はすぐに3,000 km（1,900 mi）以上の高さに達し、ハッブル宇宙望遠鏡（HST）によって観測された。[ 21 ] [ 22 ]
衝突火球が検出されてから数分後、ガリレオは再び加熱が始まったことを観測した。これはおそらく、噴出した物質が惑星に落下したためと考えられる。地球上の観測者は、最初の衝突直後に火球が惑星の縁から上昇するのを観測した。[ 23 ]
発表された予測にもかかわらず、[ 17 ]天文学者たちは衝突による火球を観測できるとは予想しておらず[ 24 ]、衝突によるその他の大気への影響が地球からどの程度見えるかについても全く見当がつかなかった。最初の衝突後、観測者たちはすぐに巨大な暗斑を目撃した。この暗斑は地球から見えた。この暗斑とその後の暗斑は衝突による破片が原因であると考えられており、著しく非対称で、衝突方向の前方に三日月形を形成していた。[ 25 ]
その後の 6 日間で 21 回の衝突が観測され、最大の衝突は 7 月 18 日 7 時 33 分 UTC に破片 G が木星に衝突した時でした。この衝突により、直径12,000 km または 7,500マイル(地球の直径とほぼ同じ)を超える巨大な暗斑が形成され、600 万メガトンの TNT (世界の核兵器の 600 倍)に相当するエネルギーが放出されたと推定されています。 [ 27 ] 7 月 19 日には12 時間間隔で 2 回の衝突があり、破片 G によるものと同様の大きさの衝突痕が形成され、衝突は 7 月 22 日の破片 W が木星に衝突するまで続きました。[ 28 ]
観測者たちは、彗星の破片が上層大気を突き抜けることで下層物質が露出し、雲頂の下にある木星を初めて垣間見ることができると期待していた。分光学的研究により、木星のスペクトルに二原子硫黄（S 2）と二硫化炭素（CS 2 ）による吸収線が発見された。これらは木星で初めて検出されたものであり、S 2 は天体で2番目に検出されたものである。検出された他の分子には、アンモニア（NH 3）と硫化水素（H 2 S）が含まれる。これらの化合物の量から推測される硫黄の量は、小さな彗星の核で予想される量よりもはるかに多く、木星内部の物質が露出していることを示している。二酸化硫黄などの酸素を含む分子は検出されなかったが、これは天文学者たちの驚きであった。[ 29 ]
これらの分子に加えて、鉄、マグネシウム、ケイ素などの重原子からの放射も検出され、その存在量は彗星の核で見られるものと一致する。分光法ではかなりの量の水が検出されたが、予測されたほど多くはなかった。これは、雲の下に存在すると考えられていた水の層が予測よりも薄かったか、彗星の破片が十分に深く侵入しなかったかのどちらかを意味する。[ 30 ]
予想通り、衝突によって巨大な波が発生し、木星を秒速450 m (1,500フィート/秒)の速度で横断し、最大の衝突後 2 時間以上にわたって観測された。波は導波管として機能する安定層内を伝播していると考えられており、一部の科学者は、その安定層は仮説上の対流圏水雲内に存在するに違いないと考えていた。しかし、他の証拠は、彗星の破片が水層に到達しておらず、波は成層圏内を伝播していることを示唆しているようだった。[ 31 ]
電波観測により、最大の衝突後に波長21cm （8.3インチ）の連続放射が急激に増加し、惑星からの通常の放射の120%に達したことが明らかになった。[ 32 ]これは、衝突によって相対論的電子（光速に近い速度を持つ電子）が木星の磁気圏に注入されたことによるシンクロトロン放射が原因と考えられた。[ 33 ]
破片Kが木星に突入してから約1時間後、観測者たちは衝突領域付近と、木星の強い磁場に対して衝突地点の反対側でオーロラ発光を記録した。木星の内部磁場と衝突地点の形状に関する知識が不足していたため、これらの発光の原因を特定することは困難であった。考えられる説明の一つは、衝突による上向きに加速する衝撃波が荷電粒子をオーロラ発光を引き起こすのに十分なほど加速したというもので、これは通常、高速で移動する太陽風粒子が磁極付近の惑星大気に衝突する際に発生する現象である。[ 34 ]
一部の天文学者は、衝突が木星と火山活動が活発な衛星イオを結ぶ高エネルギー粒子のトーラスであるイオ・トーラスに顕著な影響を与える可能性があると示唆していた。高解像度分光研究により、衝突時とその後のイオン密度、回転速度、温度の変動は正常範囲内であることが判明した。 [ 35 ]
ボイジャー2号は計算によって何も検出できず、火球は探査機の検出限界をわずかに下回っていたことが示された。爆発後、異常なレベルの紫外線や無線信号は記録されなかった。 [ 20 ] [ 36 ]ユリシーズも異常な無線周波数を検出できなかった。 [ 20 ]
シューメーカー・レヴィ第9彗星の密度と大きさを計算するためにいくつかのモデルが考案された。その平均密度は約0.5 g/cm³ ( 0.018 lb/cu in)と計算された。これより密度の低い彗星の分裂では、観測された一連の天体とは似ていなかっただろう。母彗星の大きさは直径約1.8 km (1.1 mi)と計算された。 [ 3 ] [ 4 ]これらの予測は、その後の観測によって実際に確認された数少ないものの一つである。[ 37 ]
衝突の驚きの一つは、予測に比べて明らかになった水の量が少なかったことである。[ 38 ]衝突前、木星の大気モデルでは、最大の破片の分裂は30キロパスカルから数十メガパスカル（0.3から数百バール）の大気圧で起こると予測されていた[ 30 ] 。また、彗星が水の層を貫通し、木星のその領域に青みがかった覆いを作り出すという予測もあった[ 16 ] 。
天文学者たちは衝突後に大量の水を観測しておらず、その後の衝突研究では、流星の空中爆発における彗星の破片の破砕と破壊は、以前の予想よりもはるかに高い高度で起こった可能性が高く、最大の破片でさえ、圧力が250 kPa (36 psi)に達したときに破壊され、これは予想される水の層の深さをはるかに超えていたことがわかった。より小さな破片は、おそらく雲層に到達する前に破壊された。[ 30 ]
衝突による目に見える傷跡は、何ヶ月もの間木星で見ることができた。それらは非常に目立ち、観測者たちは大赤斑よりも見やすいと述べている。過去の観測記録を調べたところ、これらの斑点はおそらく惑星上でこれまで観測された中で最も目立つ一時的な特徴であり、大赤斑はその鮮やかな色で有名だが、SL9衝突によって生じたような大きさや暗さの斑点は、それ以前にもそれ以降にも記録されたことがないことが明らかになった。[ 39 ]
衝突により木星の成層圏に多くの新種が生成された。長期間存在する種はH 2 O、CO、CSおよびHCNである。[ 40 ] H 2 O の放出は、2002 年から 2019 年にかけてOdin 宇宙望遠鏡で監視され、直線的な減少を示した。[ 41 ]分光観測者は、衝突後少なくとも 14 か月はアンモニアと二硫化炭素(CS 2 ) が大気中に残存し、対流圏にある通常の場所とは異なり、成層圏にかなりの量のアンモニアが存在することを発見した。[ 42 ] CS は、衝突から 19 年後に木星の大気中でAtacama Submillimeter Telescope Experimentによって検出された。CS の総質量は 90% 減少した。[ 43 ]
この新種は、木星のオーロラのプロセスを解明するのに役立つ可能性がある。ALMAはCOとHCNを検出した。オーロラ領域内およびその近辺ではHCNが減少していた。化学プロセスにより、HCNはオーロラで生成された大きなエアロゾルに結合している。[ 44 ] 2022年12月のジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の観測では、南極領域でH2Oが増加し、CO2が減少していることが検出された。これは、南オーロラ領域で2つの分子間で酸素が交換されていると見られている。HCNも南極領域に向かって減少している。[ 40 ]
大気温度は、衝突地点の規模が大きいほど、小さい地点よりもはるかに早く平常値まで低下しました。衝突地点の規模が大きいほど、15,000～20,000 km (9,300～12,400マイル)の範囲で温度が上昇しましたが、衝突から 1 週間以内に平常値まで低下しました。小さい地点では、周囲よりも 10 K (10 °C; 18 °F) 高い温度がほぼ 2 週間持続しました。[ 45 ]地球の成層圏の温度は、衝突直後に上昇し、その後 2 ～ 3 週間後に衝突前の温度を下回り、その後ゆっくりと平常値まで上昇しました。[ 46 ]
シューメーカー・レヴィ第9彗星は、木星の微かな環系にも波紋を引き起こし、これはガリレオによって最初に観測された。13年後、冥王星に向かう途中のニュー・ホライズンズ探査機も波紋を観測し、その後の出来事によって環が傾いた可能性を示唆した。[ 47 ]さらに、この彗星が木星の周りに新しい環を形成した可能性も予測されている。[ 48 ]
SL9 は、一時的に木星の周りを公転した唯一の彗星ではありません。82P /Gehrels、147P/Kushida–Muramatsu、111P/Helin–Roman–Crockettを含む 5 つの彗星が、一時的に木星に捕らえられたことが知られています。[ 49 ] [ 50 ] 木星の周りの彗星の軌道は不安定で、非常に楕円形になり、遠木星(軌道上で惑星から最も遠い点)で太陽の重力によって強く摂動される可能性が高いです。
太陽系で圧倒的に質量が大きい木星は、比較的頻繁に天体を捕獲することができるが、SL9 の大きさはそれを稀なものにしている。衝突後の研究によると、直径0.3 km (0.19マイル)の彗星は、約 500 年に 1 回木星に衝突し、直径1.6 km (1マイル)の彗星は、6,000 年に 1 回しか衝突しないと推定されている。[ 51 ]
彗星が過去に破砕され、木星とその衛星に衝突したという非常に強力な証拠がある。ボイジャー探査機による木星探査ミッション中、惑星科学者たちはカリストに13のクレーター列、ガニメデに3つのクレーター列を発見したが、その起源は当初謎であった。[ 52 ]月面で見られるクレーター列は大きなクレーターから放射状に伸びており、元の噴出物の二次衝突によって生じたと考えられているが、木星の衛星のクレーター列はより大きなクレーターにはつながっていなかった。SL9の衝突は、クレーター列が衛星に衝突した破砕された彗星の破片の列によるものであることを強く示唆している。[ 53 ]
2009年7月19日、SL9衝突からちょうど15年後、木星の南半球に太平洋ほどの大きさの新たな黒点が出現した。熱赤外線測定では衝突地点が高温であることが示され、分光分析では木星大気の上層部で過剰な高温アンモニアとシリカを豊富に含む塵が生成されていることが検出された。科学者たちは、別の衝突事象が発生したが、今回はよりコンパクトで強力な天体、おそらく未発見の小さな小惑星が原因であると結論付けた。[ 54 ]
SL9と木星の相互作用の出来事は、太陽系の「宇宙の掃除機」として機能し、星間および太陽系内のデブリから内惑星を守る木星の役割を強く浮き彫りにしました（木星バリア）。木星の強い重力の影響は多くの小さな彗星や小惑星を引き寄せ、木星への彗星の衝突率は地球の2,000～8,000倍であると考えられています。[ 55 ]
白亜紀末期の非鳥類恐竜の絶滅は、一般的に白亜紀-古第三紀衝突イベントによって引き起こされたと考えられており、このイベントによってチクシュルーブ・クレーターが形成されました。[ 56 ]これは、彗星の衝突が地球上の生命にとって深刻な脅威であることを示しています。天文学者たちは、木星の巨大な重力がなければ、地球上で絶滅イベントがより頻繁に発生し、複雑な生命が発達できなかった可能性があると推測しています。[ 57 ]これは、レアアース仮説で使用されている議論の一部です。
2009年に、太陽系内の木星の位置に小さな惑星が存在すると、地球への彗星の衝突率が大幅に増加する可能性があることが示されました。木星の質量を持つ惑星は依然として小惑星に対する保護を強化するようですが、太陽系内のすべての軌道天体への全体的な影響は不明です。これやその他の最近のモデルは、地球への衝突に対する木星の影響の性質に疑問を投げかけています。[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]
直径 1 km を超える木星相互作用彗星の場合、木星への衝突は 500 ～ 1000 年ごと、地球への衝突は 2 ～ 4 Myr ごとに発生します。