シューメーカー・レヴィ第9彗星

D/1993 F2 (シューメーカー・レヴィ)
	シューメーカー・レヴィ第9彗星、衝突コースで破壊された彗星; （合計21個の破片、1994年7月に撮影）
発見
発見者	キャロリン・シューメーカーユージン; ・シューメーカー; デビッド・レヴィ
発見場所	パロマー天文台
発見日	1993年3月24日
軌道特性
傾斜	94.2°
身体的特徴
寸法	1.8 km (1.1 マイル)

シューメーカー・レヴィ第9彗星（正式名称 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、太陽系外天体の衝突が初めて直接観測された。^[5]この衝突は一般メディアで大きく報道され、世界中の天文学者がこの彗星を詳細に観測した。この衝突は木星に関する新たな情報をもたらし、木星が太陽系内部の宇宙ゴミの削減に役割を果たしている可能性を浮き彫りにした。

この彗星は1993年に天文学者のキャロライン・シューメーカーとユージン・M・シューメーカー、そしてデイヴィッド・レヴィによって発見された。 ^[6]シューメーカー・レヴィ第9彗星（SL9）は当時木星に捕らえられ、木星を周回していた。3月24日の夜にカリフォルニア州パロマー天文台の46cm（18インチ）シュミット望遠鏡で撮影された写真に写っていた。これは惑星を周回しているのが観測された最初の活動的な彗星であり、おそらくその約20～30年前に木星に捕らえられていた。

計算により、この彗星の異常な破片の形は、1992年7月に木星に接近した際に生じたものであることがわかった。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ていた。その後、この彗星は直径最大2km (1.2マイル)の一連の破片として観測された。これらの破片は、1994年7月16日から22日の間に、およそ秒速60km (37マイル/秒) (木星の脱出速度) または時速216,000km (134,000マイル/時) の速度で木星の南半球に衝突した。衝突による顕著な傷跡は大赤斑よりも目立ち、何ヶ月も残った。

発見

シューメーカーズとレヴィは、地球近傍天体の発見を目的とした観測プログラムを実施していた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写真の中にシューメーカー・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、すぐに彼らの主な観測プログラムの成果を覆い隠すものとなった。^[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（軌道周期が200年以下の彗星）であり、その名が付けられた。これは、異なる命名法を使用する2つの非周期彗星の発見を含め、彼らの全体で11番目の彗星発見であった。この発見は1993年3月26日にIAU回覧5725で発表された。^[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という最初のヒントを与えた。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からである。天文電報中央局のブライアン・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 度ほどしか離れておらず、これは視線の影響かもしれないが、空での見かけの動きから、彗星は物理的には木星に近いことが示唆されていると指摘した。^[6]

木星軌道を持つ彗星

この新しい彗星の軌道研究により、当時知られていた他のすべての彗星とは異なり、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。木星の周りの軌道は非常に緩やかで、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。惑星の周りの軌道は非常に離心率が高い（e = 0.9986）。^[8]

彗星の軌道運動を遡ると、しばらくの間木星を周回していたことが判明した。1970年代初頭に太陽軌道から撮影された可能性が高いが、撮影は1960年代半ばにはすでに行われていた可能性がある。^{[9] 3月24日より前に得られた}発見前画像で彗星の画像を発見した他の観測者もおり、その中には3月15日に撮影された写真からキン・エンダテ、3月17日にはサトル・オオトモ、3月19日にはエレノア・ヘリン率いるチームが撮影した画像が含まれている^。[10] 3月19日に撮影されたシュミット写真乾板上の彗星の画像は、木星付近の彗星を探索するプロジェクトの一環として、3月21日にM.リンドグレンが特定した。^[11]しかし、彼のチームは彗星は不活発か、せいぜい弱い塵のコマを示すだろうと予想していたし、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月以前に遡る発見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と思われる。^[12]

物体が木星を周回する空間の体積は、木星のヒル球によって定義される。1960年代後半から1970年代前半に彗星が木星を通過したとき、彗星はたまたま木星の遠日点近くにあり、木星のヒル球のわずかに内側にあった。木星の重力が彗星を木星の方向に押しやった。木星に対する彗星の動きが非常に小さかったため、彗星はほぼ一直線に木星に向かって落下し、その結果、非常に高い離心率のジュピター中心軌道に落ち着いた。つまり、楕円がほぼ平坦になったのである。^[13]

1992年7月7日、彗星は木星の雲頂から4万キロ（2万5000マイル）上空を極めて接近したようで、これは木星の半径7万キロ（4万3000マイル）よりも短い距離で、木星の最も内側の衛星メティスの軌道と木星のロッシュ限界のかなり内側にある。この限界内では潮汐力が十分に強く、重力のみで支えられている天体が崩壊するほどである。^[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ものと思われ、この時に彗星の破片が生じたと考えられる。彗星の破片はそれぞれ「破片A」から「破片W」までアルファベットの1文字で表記されたが、これは以前に観測された破片化した彗星からすでに確立されていた慣例である。^[14]

惑星天文学者にとってさらに興奮したのは、最良の軌道計算により、彗星が木星の中心から45,000 km (28,000 マイル) 以内を通過することが示唆されたことだった。これは木星の半径よりも小さい距離であり、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]研究では、核の列が約 5 日間にわたって木星の大気圏に突入すると示唆された。^[13]

衝突の予測

彗星が木星に衝突する可能性があるという発見は、天文学界内外で大きな興奮を引き起こした。天文学者はこれまで太陽系の重要な天体同士が衝突するのを見たことがなかったからだ。彗星の徹底的な研究が行われ、その軌道がより正確に判明するにつれて、衝突の可能性は確実となった。衝突により通常は雲の下に隠れている層から物質が噴出することが予想されたため、科学者にとって衝突は木星の大気の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直径数百メートル（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キロメートル（3.1マイル）の直径があった可能性があることを示唆している。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いくらか大きい。衝突前の大きな議論の1つは、このような小さな天体の衝突の影響が、巨大な流星のように崩壊するときの閃光を除いて、地球から目立つかどうかであった。 ^[16]最も楽観的な予測は、大きく非対称な弾道の火の玉が木星の縁を超えて上昇し、太陽光線の中に入り、地球から見えるというものだった。^[17] 衝突によるその他の影響としては、惑星を横切る地震波、衝突による塵による惑星の成層圏の霞の増加、木星の環系の質量の増加などが示唆されている。しかし、このような衝突を観測することは全く前例のないことであったため、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]

影響

衝突の予想日が近づくにつれ期待が高まり、天文学者たちは地上の望遠鏡を木星に向けました。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1995年に木星にランデブーする予定だったガリレオ宇宙船など、いくつかの宇宙観測所も同様の観測を行いました。衝突は地球から隠れた木星の側面で起こりましたが、当時木星から1.6AU（2億4000万km）の距離にあったガリレオは、衝突が起こる瞬間を観測することができました。木星の急速な自転により、衝突の数分後には地上の観測者にも衝突地点が見えるようになりました。^[19]

衝突当時、他の2機の宇宙探査機が観測を行っていた。主に太陽観測用に設計されたユリシーズ宇宙船は、木星から2.6AU（3億9000万キロメートル）離れた位置から木星に向けられていた。また、1989年に海王星に遭遇して太陽系を離れる途中、木星から約44AU（66億キロメートル）離れた位置にあった遠方のボイジャー2号探査機は、 1～ 390kHzの範囲の電波放射を探し、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、この衝突について次のように説明しました。

最初の衝突は1994年7月16日20:13 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、木星の雲頂温度が通常約130 K (-143 °C; -226 °F)であるのに対し、非常に高い。その後、火球は膨張し、急速に約1,500 K (1,230 °C; 2,240 °F)まで冷却された。火球からの噴煙はすぐに3,000 km (1,900 mi)を超える高さに達し、ハッブル宇宙望遠鏡によって観測された。^[21]^[22]

衝突による火球の検出から数分後、ガリレオは新たな加熱を測定した。これはおそらく、噴出した物質が惑星に落下したことによるものと思われる。地球上の観測者は、最初の衝突の直後に火球が惑星の縁から上昇するのを検出した。^[23]

発表された予測にもかかわらず、^[17]天文学者は衝突による火球が見られるとは思っていなかったし^[24]、衝突によるその他の大気の影響が地球からどの程度見えるかについても全くわかっていなかった。観測者は最初の衝突後すぐに巨大な暗点を目撃した。その点は地球から見えた。この暗点とその後の暗点は衝突の残骸によって引き起こされたと考えられており、著しく非対称で、衝突方向の前で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たが、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だった。この衝突により、直径12,000 km（7,500マイル）^[26]（ほぼ地球の直径）の巨大な暗黒点が形成され、 TNT火薬600万メガトン（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る。 ^[27] 7月19日には12時間間隔で2回の衝突があり、破片Gによるものと同程度の衝突痕跡が残り、衝突は破片Wが木星に衝突した7月22日まで続いた。^[28]

観察と発見

化学研究

観測者たちは、彗星の破片が上層大気を突き抜けて下層物質を露出させ、衝突によって雲頂の下の木星を初めて垣間見ることになるだろうと期待していた。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}吸収線が見つかった。これは木星でどちらも検出された初めてのケースであり、天体でS ₂が検出されたのは2例目である。他に検出された分子には、アンモニア(NH ₃ ) と硫化水素(H ₂ S) がある。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。天文学者を驚かせたのは、二酸化硫黄などの酸素を含む分子は検出されなかったことである。 ^[29]

これらの分子に加えて、鉄、マグネシウム、シリコンなどの重原子からの放射も検出され、その量は彗星の核に見られる量と一致している。分光学的にかなりの量の水が検出されたが、予測されたほどではなかった。これは、雲の下に存在すると考えられていた水層が予測よりも薄かったか、彗星の破片が十分に深く浸透しなかったことを意味している。^[30]

波

予測通り、衝突によって木星を450メートル/秒（1,500フィート/秒）の速度で襲った巨大な波が発生し、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わっていると考えられており、安定層は仮説上の対流圏水雲内にあるに違いないと考える科学者もいた。しかし、他の証拠は彗星の破片が水層に到達しておらず、波が成層圏内を伝播していることを示しているようであった。^[31]

その他の観察

*数秒間隔で撮影されたガリレオの*画像の連続。木星の暗黒面にある破片Wの火球の出現を示している。

電波観測により、最も大きな衝突の後、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って引き起こされるシンクロトロン放射によるものと考えられた。^[33]

K破片が木星に突入してから約1時間後、観測者は衝突領域の近くと、木星の強い磁場に対する衝突地点の反対側でオーロラの放射を記録した。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、これらの放射の原因を特定することは困難だった。考えられる説明の1つは、衝突による上向きに加速する衝撃波が荷電粒子を加速してオーロラ放射を引き起こすというもので、これは通常、磁極近くの惑星の大気に衝突する高速太陽風粒子に関連する現象である。^[34]

一部の天文学者は、衝突がイオ・トーラス（木星と火山活動の激しい衛星イオを結ぶ高エネルギー粒子のトーラス）に顕著な影響を及ぼす可能性があると示唆していた。高解像度の分光研究により、衝突時および衝突後のイオン密度、回転速度、温度の変動は正常範囲内であることがわかった。 ^[35]

ボイジャー2号は計算で何も検出できなかったが、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、爆発後に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]

衝突後の分析

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。平均密度は約0.5 g/cm ³ (0.018 lb/cu in)と計算された。これよりはるかに密度の低い彗星の崩壊は、観測された一連の天体とは似ていなかっただろう。親彗星の大きさは、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予測の1つであった。^[37]

衝突の驚きの一つは、以前の予測と比較して、発見された水の量が少ないことであった。^[38]衝突前、木星の大気のモデルは、最大の破片の分解は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示しており、^[30]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るという予測もあった。^[16]

天文学者は衝突後に大量の水を観測しなかったが、その後の衝突研究では、隕石の空中爆発による彗星の破片の破片化と破壊は、おそらく以前の予想よりもはるかに高い高度で起こり、最も大きな破片でさえ、圧力が水の層の予想深度をはるかに超える250kPa（36psi）に達したときに破壊されたことが判明した。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]

長期的な影響

衝突による目に見える傷跡は、木星上で何ヶ月も見られた。それらは非常に目立ち、観測者は大赤斑よりも簡単に見えると述べた。過去の観測を調査したところ、斑点はおそらく木星でこれまでに見られた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であるが、SL9の衝突によって引き起こされたもののような大きさと暗さの斑点はそれ以前にもそれ以降にも記録されていないことが明らかになった。^[39]

分光学的観測により、アンモニアと二硫化炭素は衝突後少なくとも14か月間大気中に残留し、通常の対流圏の位置とは対照的に、成層圏にかなりの量のアンモニアが存在していたことがわかった。^[40]

直感に反して、衝突地点の規模が大きいほど気温が通常レベルに下がるのが早く、衝突地点の規模が小さいほど気温が上がる。衝突地点の規模が大きいほど気温は15,000～20,000 km (9,300～12,400 mi) の範囲で上昇したが、衝突後1週間以内に通常レベルに戻った。衝突地点の規模が小さいほど気温が周囲より10 K (10 ° C; 18 ° F) 高い状態が2週間近く続いた。 ^[41]衝突直後には成層圏の気温が上昇し、その後2～3週間で衝突前の気温を下回り、その後ゆっくりと通常温度まで上昇した。^[42]

衝撃の頻度

SL9は、木星を一定期間周回した唯一の彗星ではない。82P /ゲーレルズ彗星、147P/櫛田・村松彗星、111P/ヘリン・ローマン・クロケット彗星を含む5つの彗星が、一時的に木星に捕獲されたことが知られている。^[43]^[44] 木星の周りの彗星の軌道は不安定で、高度に楕円形になり、遠方軌道（惑星から最も遠い軌道上の点）で太陽の重力によって強く摂動を受ける可能性が高い。

太陽系で圧倒的に最も質量の大きい惑星である木星は、比較的頻繁に天体を捕獲することができるが、SL9の大きさを考えると稀なことである。衝突後の研究では、直径0.3km（0.19マイル）の彗星は約500年に1回、直径1.6km（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。^[45]

彗星がこれまでにも破片となって木星とその衛星に衝突したという非常に強い証拠がある。木星へのボイジャー計画の際、惑星科学者らはカリストに13のクレーター列、ガニメデに3つのクレーター列を特定したが、その起源は当初謎であった。^[46]月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広がることが多く、元の噴出物の二次衝突によって引き起こされ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壊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た。^[47]

2009年7月19日の影響

2009年7月19日、SL9の衝突からちょうど15年後、木星の南半球に太平洋ほどの大きさの新しい黒点が出現した。熱赤外線測定では衝突地点が温暖であることが示され、分光分析では木星の大気圏上層部で過剰な高温アンモニアとシリカを多く含む塵の生成が検出された。科学者らは別の衝突が起こったと結論付けたが、今回はよりコンパクトで強力な物体、おそらく未発見の小惑星が原因だった。^[48]

太陽系内部の保護における木星の役割

SL9と木星の相互作用の出来事は、木星が太陽系の「宇宙掃除機」（木星バリア）として機能し、内惑星を星間および太陽系内の破片から保護する役割を大いに浮き彫りにした。木星の強い重力の影響により、多くの小さな彗星や小惑星が引き寄せられ、木星への彗星の衝突率は地球の2,000倍から8,000倍高いと考えられている。^[49]

白亜紀末期の非鳥類恐竜の絶滅は、一般的には白亜紀-古第三紀の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、このイベントによりチクシュルーブ・クレーターが形成されました。^[50]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。^{[51]これは}、レアアース仮説で使用される議論の一部です。

2009年、太陽系内の木星の位置にあるより小さな惑星の存在が、地球への彗星の衝突率を大幅に高める可能性があることが示された。木星の質量の惑星は依然として小惑星に対する防御力を高めているようだが、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ある。このモデルと他の最近のモデルは、木星が地球への衝突に与える影響の性質に疑問を投げかけている。^[52]^[53]^[54]

参照

参考文献

注記

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外部リンク

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世界中の観測所やガリレオ宇宙船から送られてきた写真を集めた、シューメーカー・レヴィ第9彗星に関する最初のウェブサイト。ジェット推進研究所のソフトウェアエンジニア、ロン・バールケ氏が編集した。
シューメーカー・レヴィ第9彗星に関するよくある質問
シューメーカー・レヴィ第9彗星フォトギャラリー
ダウンロード可能な GIF アニメーションで、地球の大きさに対する衝突の時系列と大きさを示します。
シューメーカー・レヴィ彗星 9 ダン・ブルトン、テキサス A&M 大学
木星がシューメーカー・レヴィ第9彗星を飲み込む APOD: 2000年11月5日
シューメーカー・レヴィ彗星と木星の衝突
国立宇宙科学データセンター情報
SL-9の軌道シミュレーション。彗星を破砕した経路と2年後の衝突を示している。
シューメーカー・レヴィ9衝突の正確な3Dシミュレーションを含むインタラクティブな宇宙シミュレーター
NASA 惑星データシステム、小天体ノードのシューメーカー・レヴィ 9 木星衝突観測キャンペーンアーカイブ

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