Cometa Shoemaker – Levy 9

O cometa Shoemaker–Levy 9 (formalmente designado D/1993 F2) se separou em julho de 1992 e colidiu com Júpiter em julho de 1994, fornecendo a primeira observação direta de um colisão extraterrestre de objetos do Sistema Solar. Isso gerou uma grande quantidade de cobertura na mídia popular, e o cometa foi observado de perto por astrônomos em todo o mundo. A colisão forneceu novas informações sobre Júpiter e destacou seu possível papel na redução de detritos espaciais no Sistema Solar interno.

O cometa foi descoberto pelos astrônomos Carolyn, Eugene M. Shoemaker e David Levy em 1993. Shoemaker–Levy 9 (SL9) foi capturado por Júpiter e orbitava o planeta na época. Ele foi localizado na noite de 24 de março em uma fotografia tirada com o telescópio Schmidt de 46 cm (18 pol) no Observatório Palomar, na Califórnia. Foi o primeiro cometa ativo observado orbitando um planeta e provavelmente foi capturado por Júpiter cerca de 20 a 30 anos antes.

Cálculos mostraram que sua forma fragmentada incomum foi devido a uma aproximação anterior de Júpiter em julho de 1992. Naquela época, a órbita de Shoemaker-Levy 9 passava dentro do limite Roche de Júpiter e do limite de Júpiter. as forças das marés agiram para separar o cometa. O cometa foi posteriormente observado como uma série de fragmentos com até 2 km (1,2 mi) de diâmetro. Esses fragmentos colidiram com o hemisfério sul de Júpiter entre 16 e 22 de julho de 1994 a uma velocidade de aproximadamente 60 km/s (37 mi/s) (velocidade de escape de Júpiter) ou 216.000 km/h (134.000 mph). As cicatrizes proeminentes dos impactos eram mais facilmente visíveis do que a Grande Mancha Vermelha e persistiram por muitos meses.

Descoberta

Durante a realização de um programa de observações projetado para descobrir objetos próximos da Terra, os Shoemakers e Levy descobriram o cometa Shoemaker–Levy 9 na noite de 24 de março de 1993, em uma fotografia tirada com o telescópio Schmidt de 0,46 m (1,5 pés) no Observatório Palomar, na Califórnia. O cometa foi, portanto, uma descoberta fortuita, mas que rapidamente ofuscou os resultados de seu principal programa de observação.

O cometa Shoemaker–Levy 9 foi o nono cometa periódico (um cometa cujo período orbital é de 200 anos ou menos) descoberto pelos Shoemakers e Levy, daí o seu nome. Foi a décima primeira descoberta de cometas no geral, incluindo a descoberta de dois cometas não periódicos, que usam uma nomenclatura diferente. A descoberta foi anunciada na Circular 5725 da IAU em 26 de março de 1993.

A imagem da descoberta deu a primeira dica de que o cometa Shoemaker–Levy 9 era um cometa incomum, pois parecia mostrar múltiplos núcleos em uma região alongada com cerca de 50 segundos de arco de comprimento e 10 segundos de arco de largura. Brian G. Marsden, do Central Bureau for Astronomical Telegrams, observou que o cometa estava a apenas 4 graus de Júpiter visto da Terra e que, embora isso pudesse ser um efeito de linha de visão, seu movimento aparente no céu sugeria que o cometa estava fisicamente perto do planeta.

Cometa com uma órbita joviana

Estudos orbitais do novo cometa logo revelaram que ele orbitava Júpiter e não o Sol, ao contrário de todos os outros cometas conhecidos na época. Sua órbita em torno de Júpiter era muito fraca, com um período de cerca de 2 anos e uma apoapse (o ponto na órbita mais distante do planeta) de 0,33 unidades astronômicas (49 milhões de quilômetros; 31 milhões de milhas). Sua órbita ao redor do planeta era altamente excêntrica (e = 0,9986).

Acompanhar o movimento orbital do cometa revelou que ele estava orbitando Júpiter há algum tempo. É provável que tenha sido capturado de uma órbita solar no início dos anos 1970, embora a captura possa ter ocorrido já em meados dos anos 1960. Vários outros observadores encontraram imagens do cometa em imagens de pré-descoberta obtidas antes de 24 de março, incluindo Kin Endate de uma fotografia exposta em 15 de março, S. Otomo em 17 de março e uma equipe liderada por Eleanor Helin de imagens em 19 de março. o cometa em uma chapa fotográfica Schmidt tirada em 19 de março foi identificado em 21 de março por M. Lindgren, em um projeto de busca de cometas perto de Júpiter. No entanto, como sua equipe esperava que os cometas fossem inativos ou, na melhor das hipóteses, exibissem um fraco coma de poeira, e o SL9 tinha uma morfologia peculiar, sua verdadeira natureza não foi reconhecida até o anúncio oficial 5 dias depois. Nenhuma imagem de pré-descoberta datada de março de 1993 foi encontrada. Antes do cometa ser capturado por Júpiter, provavelmente era um cometa de curto período com um afélio dentro da órbita de Júpiter e um periélio no interior do cinturão de asteroides.

O volume de espaço dentro do qual se pode dizer que um objeto orbita Júpiter é definido pela esfera Hill de Júpiter. Quando o cometa passou por Júpiter no final dos anos 1960 ou início dos anos 1970, ele estava perto de seu afélio e se encontrava ligeiramente dentro da esfera de Júpiter. A gravidade de Júpiter empurrou o cometa em sua direção. Como o movimento do cometa em relação a Júpiter era muito pequeno, ele caiu quase em linha reta em direção a Júpiter, razão pela qual acabou em uma órbita centrada em Júpiter de excentricidade muito alta - ou seja, a elipse foi quase achatada fora.

O cometa aparentemente passou extremamente perto de Júpiter em 7 de julho de 1992, pouco mais de 40.000 km (25.000 milhas) acima do topo de suas nuvens - uma distância menor que o raio de Júpiter de 70.000 km (43.000 milhas) e bem dentro da órbita da lua mais interna de Júpiter, Metis, e do limite de Roche do planeta, dentro do qual as forças das marés são fortes o suficiente para interromper um corpo mantido unido apenas pela gravidade. Embora o cometa tenha se aproximado de Júpiter antes, o encontro de 7 de julho parecia ser de longe o mais próximo, e acredita-se que a fragmentação do cometa tenha ocorrido nessa época. Cada fragmento do cometa foi denotado por uma letra do alfabeto, de "fragmento A" até o "fragmento W", uma prática já estabelecida a partir de cometas fragmentados observados anteriormente.

Mais empolgante para os astrônomos planetários foi que os melhores cálculos orbitais sugeriam que o cometa passaria a 45.000 km (28.000 mi) do centro de Júpiter, uma distância menor que o raio do planeta, o que significa que havia um probabilidade extremamente alta de que SL9 colidiria com Júpiter em julho de 1994. Estudos sugeriram que o trem de núcleos entraria na atmosfera de Júpiter durante um período de cerca de cinco dias.

Previsões para a colisão

A descoberta de que o cometa provavelmente colidiria com Júpiter causou grande entusiasmo dentro da comunidade astronômica e além, já que os astrônomos nunca haviam visto dois corpos significativos do Sistema Solar colidirem. Intensos estudos do cometa foram realizados e, à medida que sua órbita foi estabelecida com mais precisão, a possibilidade de uma colisão tornou-se uma certeza. A colisão proporcionaria uma oportunidade única para os cientistas olharem dentro da atmosfera de Júpiter, já que se esperava que as colisões causassem erupções de material das camadas normalmente escondidas sob as nuvens.

Os astrônomos estimaram que os fragmentos visíveis do SL9 variavam em tamanho de algumas centenas de metros (cerca de 1.000 pés) a dois quilômetros (1,2 mi) de diâmetro, sugerindo que o cometa original pode ter um núcleo de até 5 km (3,1 mi) um pouco maior do que o cometa Hyakutake, que se tornou muito brilhante quando passou perto da Terra em 1996. Um dos grandes debates antes do impacto foi se os efeitos do impacto de tais corpos pequenos seriam perceptíveis da Terra, além de um flash quando eles se desintegraram como meteoros gigantes. A previsão mais otimista era que bolas de fogo balísticas grandes e assimétricas subiriam acima do limbo de Júpiter e entrariam na luz do sol para serem visíveis da Terra. Outros efeitos sugeridos dos impactos foram ondas sísmicas viajando pelo planeta, um aumento na neblina estratosférica no planeta devido à poeira dos impactos e um aumento na massa do sistema de anéis jovianos. No entanto, dado que a observação de tal colisão foi completamente sem precedentes, os astrônomos foram cautelosos com suas previsões do que o evento poderia revelar.

Impactos

Júpiter em ultravioleta (cerca de 2,5 horas após o impacto de R). O ponto preto perto do topo é Io transitando Júpiter.

A expectativa aumentou à medida que a data prevista para as colisões se aproximava, e os astrônomos apontaram telescópios terrestres para Júpiter. Vários observatórios espaciais fizeram o mesmo, incluindo o Telescópio Espacial Hubble, o satélite de observação de raios X ROSAT, o Observatório W. M. Keck e a espaçonave Galileo, então a caminho de um encontro com Júpiter agendado para 1995. Embora os impactos tenham ocorrido no lado de Júpiter escondido da Terra, Galileo, então a uma distância de 1,6 UA (240 milhões km; 150 milhões milhas) do planeta, foi capaz de ver os impactos à medida que ocorriam. A rápida rotação de Júpiter trouxe os locais de impacto à vista para observadores terrestres alguns minutos após as colisões.

Duas outras sondas espaciais fizeram observações no momento do impacto: a espaçonave Ulysses, projetada principalmente para observações solares, foi apontada para Júpiter de sua localização a 2,6 UA (390 milhões km; 240 milhões mi) de distância, e a distante Voyager 2, a cerca de 44 UA (6,6 bilhões km; 4,1 bilhões milhas) de Júpiter e saindo do Sistema Solar após seu encontro com Netuno em 1989, foi programada para procurar emissões de rádio no 1–390 kHz e faça observações com seu espectrômetro ultravioleta.

Hubble Space Telescope imagens de uma bola de fogo do primeiro impacto que aparece sobre o membro do planeta

Animação da órbita de Shoemaker-Levy 9 em torno de Júpiter
Júpiter· Fragmento Um· Fragmentação D· Fragmento G· Fragmento N· Fragmentação W

O astrônomo Ian Morison descreveu os impactos da seguinte forma:

O primeiro impacto ocorreu em 20:13 UTC em 16 de julho de 1994, quando o fragmento A do núcleo [comet] bateu no hemisfério sul de Júpiter em cerca de 60 km/s (35 milhas). Instrumentos Galileu. detectou uma bola de fogo que atingiu uma temperatura de pico de cerca de 24.000 K (23.700 °C; 42.700 °F), em comparação com a temperatura típica da nuvem Jovian de cerca de 130 K (−143 °C; −226 °F). Em seguida, expandiu e esfriou rapidamente para cerca de 1.500 K (1,230 °C; 2,240 °F). A pluma da bola de fogo rapidamente atingiu uma altura de mais de 3.000 km e foi observada pelo HST.

Poucos minutos após a bola de fogo de impacto ter sido detectada, o Galileo mediu o aquecimento renovado, provavelmente devido ao material ejetado caindo de volta no planeta. Observadores terrestres detectaram a bola de fogo subindo sobre o planeta logo após o impacto inicial.

Apesar das previsões publicadas, os astrônomos não esperavam ver as bolas de fogo dos impactos e não tinham ideia de quão visíveis os outros efeitos atmosféricos dos impactos seriam da Terra. Os observadores logo viram uma enorme mancha escura após o primeiro impacto; o local era visível da Terra. Pensa-se que esta e as manchas escuras subsequentes foram causadas por detritos dos impactos e eram marcadamente assimétricas, formando formas crescentes na frente da direção do impacto.

Nos seis dias seguintes, 21 impactos distintos foram observados, com o maior ocorrendo em 18 de julho às 07:33 UTC, quando o fragmento G atingiu Júpiter. Esse impacto criou uma mancha escura gigante com mais de 12.000 km ou 7.500 mi (quase um diâmetro da Terra) de diâmetro e estima-se que tenha liberado uma energia equivalente a 6.000.000 megatons de TNT (600 vezes o arsenal nuclear do mundo). Dois impactos com 12 horas de intervalo em 19 de julho criaram marcas de impacto de tamanho semelhante ao causado pelo fragmento G, e os impactos continuaram até 22 de julho, quando o fragmento W atingiu o planeta.

Observações e descobertas

Estudos químicos

Pontos castanhos marcam locais de impacto no hemisfério sul de Júpiter

Os observadores esperavam que os impactos lhes dessem um primeiro vislumbre de Júpiter sob o topo das nuvens, já que o material inferior foi exposto pelos fragmentos do cometa perfurando a atmosfera superior. Estudos espectroscópicos revelaram linhas de absorção no espectro joviano devido ao enxofre diatômico (S₂) e dissulfeto de carbono (CS₂), a primeira detecção de ambos em Júpiter, e apenas o segunda detecção de S₂ em qualquer objeto astronômico. Outras moléculas detectadas incluíram amônia (NH₃) e sulfeto de hidrogênio (H₂S). A quantidade de enxofre implícita nas quantidades desses compostos era muito maior do que a esperada em um pequeno núcleo cometário, mostrando que o material de dentro de Júpiter estava sendo revelado. Moléculas contendo oxigênio, como dióxido de enxofre, não foram detectadas, para surpresa dos astrônomos.

Além dessas moléculas, foram detectadas emissões de átomos pesados como ferro, magnésio e silício, com abundâncias compatíveis com o que seria encontrado em um núcleo cometário. Embora uma quantidade substancial de água tenha sido detectada espectroscopicamente, não foi tanto quanto o previsto, o que significa que a camada de água que se pensava existir abaixo das nuvens era mais fina do que o previsto ou que os fragmentos cometários não penetraram profundamente o suficiente.

Ondas

Como previsto, as colisões geraram ondas enormes que varreram Júpiter a velocidades de 450 m/s (1.476 pés/s) e foram observadas por mais de duas horas após os maiores impactos. Acreditava-se que as ondas viajavam dentro de uma camada estável que atuava como um guia de ondas, e alguns cientistas pensaram que a camada estável deveria estar dentro da hipotética nuvem de água troposférica. No entanto, outras evidências pareciam indicar que os fragmentos cometários não haviam atingido a camada de água e que as ondas estavam se propagando na estratosfera.

Outras observações

Uma sequência de imagens de Galileu, tiradas vários segundos de distância, mostrando a aparência da bola de fogo do fragmento W no lado escuro de Júpiter

As observações de rádio revelaram um aumento acentuado na emissão contínua em um comprimento de onda de 21 cm (8,3 in) após os maiores impactos, que atingiram um pico de 120% da emissão normal do planeta. Acredita-se que isso se deva à radiação síncrotron, causada pela injeção de elétrons relativísticos – elétrons com velocidades próximas à velocidade da luz – na magnetosfera joviana pelos impactos.

Cerca de uma hora após o fragmento K entrar em Júpiter, os observadores registraram a emissão auroral perto da região do impacto, bem como no antípoda do local do impacto em relação ao forte campo magnético de Júpiter. A causa dessas emissões foi difícil de estabelecer devido à falta de conhecimento do campo magnético interno de Júpiter e da geometria dos locais de impacto. Uma explicação possível era que as ondas de choque aceleradas para cima do impacto aceleravam as partículas carregadas o suficiente para causar a emissão auroral, um fenômeno mais tipicamente associado a partículas de vento solar em movimento rápido que atingem uma atmosfera planetária perto de um pólo magnético.

Alguns astrônomos sugeriram que os impactos podem ter um efeito perceptível no toro de Io, um toro de partículas de alta energia que conecta Júpiter com a lua altamente vulcânica Io. Estudos espectroscópicos de alta resolução descobriram que as variações na densidade de íons, velocidade de rotação e temperaturas no momento do impacto e depois estavam dentro dos limites normais.

Voyager 2 falhou em detectar qualquer coisa com cálculos mostrando que as bolas de fogo estavam logo abaixo do limite de detecção da nave; nenhum nível anormal de radiação ultravioleta ou sinais de rádio foi registrado após a explosão. Ulysses também falhou em detectar quaisquer frequências de rádio anormais.

Análise pós-impacto

Um padrão de ejeto assimétrico avermelhado

Vários modelos foram criados para calcular a densidade e o tamanho de Shoemaker–Levy 9. Sua densidade média foi calculada em cerca de 0,5 g /cm³ (0,018 lb/cu in); a fragmentação de um cometa muito menos denso não se pareceria com a cadeia de objetos observada. O tamanho do cometa pai foi calculado em cerca de 1,8 km (1,1 mi) de diâmetro. Essas previsões estavam entre as poucas que foram realmente confirmadas por observações subsequentes.

Uma das surpresas dos impactos foi a pequena quantidade de água revelada em comparação com as previsões anteriores. Antes do impacto, os modelos da atmosfera de Júpiter indicavam que a quebra dos maiores fragmentos ocorreria a pressões atmosféricas de 30 quilopascais a algumas dezenas de megapascais (de 0,3 a algumas centenas de bar), com algumas previsões de que o cometa penetraria em uma camada de água e criaria uma mortalha azulada sobre aquela região de Júpiter.

Os astrônomos não observaram grandes quantidades de água após as colisões, e estudos de impacto posteriores descobriram que a fragmentação e destruição dos fragmentos cometários em uma explosão de ar de meteoro provavelmente ocorreu em altitudes muito maiores do que o esperado anteriormente, com até mesmo os maiores fragmentos sendo destruídos quando a pressão atingiu 250 kPa (36 psi), bem acima da profundidade esperada da camada de água. Os fragmentos menores provavelmente foram destruídos antes mesmo de atingirem a camada de nuvens.

Efeitos de longo prazo

As cicatrizes visíveis dos impactos podem ser vistas em Júpiter por muitos meses. Eles eram extremamente proeminentes e os observadores os descreveram como mais facilmente visíveis do que a Grande Mancha Vermelha. Uma pesquisa de observações históricas revelou que as manchas foram provavelmente as características transitórias mais proeminentes já vistas no planeta e que, embora a Grande Mancha Vermelha seja notável por sua cor marcante, nenhuma mancha do tamanho e escuridão daquelas causadas pelos impactos SL9 já havia sido gravado antes, ou desde então.

Observadores espectroscópicos descobriram que amônia e dissulfeto de carbono persistiram na atmosfera por pelo menos quatorze meses após as colisões, com uma quantidade considerável de amônia presente na estratosfera, em oposição à sua localização normal na troposfera.

De maneira contraintuitiva, a temperatura atmosférica caiu para níveis normais muito mais rapidamente nos locais de impacto maiores do que nos locais menores: nos locais de impacto maiores, as temperaturas foram elevadas em uma região de 15.000 a 20.000 km (9.300 a 12.400 mi) de largura, mas voltou aos níveis normais uma semana após o impacto. Em locais menores, as temperaturas 10 K (18 °F) mais altas do que os arredores persistiram por quase duas semanas. As temperaturas estratosféricas globais aumentaram imediatamente após os impactos e caíram abaixo das temperaturas pré-impacto 2 a 3 semanas depois, antes de subir lentamente para as temperaturas normais.

Frequência de impactos

Enki Catena, uma cadeia de crateras em Ganimedes, provavelmente causada por um evento de impacto semelhante. A imagem cobre uma área de aproximadamente 190 km (120 milhas) em

SL9 não é o único a orbitar Júpiter por um tempo; cinco cometas (incluindo 82P/Gehrels, 147P/Kushida–Muramatsu e 111P/Helin–Roman–Crockett) foram temporariamente capturados pelo planeta. As órbitas dos cometas em torno de Júpiter são instáveis, pois serão altamente elípticas e provavelmente serão fortemente perturbadas pela gravidade do Sol no apojove (o ponto mais distante do planeta na órbita).

De longe o planeta mais massivo do Sistema Solar, Júpiter pode capturar objetos com relativa frequência, mas o tamanho do SL9 o torna uma raridade: um estudo pós-impacto estimou que cometas de 0,3 km (0,19 mi) de diâmetro impactam o planeta uma vez em aproximadamente 500 anos e aqueles com 1,6 km (1 mi) de diâmetro o fazem apenas uma vez a cada 6.000 anos.

Há evidências muito fortes de que os cometas já foram fragmentados e colidiram com Júpiter e seus satélites. Durante as missões Voyager ao planeta, cientistas planetários identificaram 13 cadeias de crateras em Calisto e três em Ganimedes, cuja origem era inicialmente um mistério. As cadeias de crateras vistas na Lua geralmente irradiam de grandes crateras e acredita-se que sejam causadas por impactos secundários do material ejetado original, mas as cadeias nas luas jovianas não levaram de volta a uma cratera maior. O impacto do SL9 implicou fortemente que as cadeias eram devidas a trens de fragmentos cometários interrompidos colidindo com os satélites.

Impacto de 19 de julho de 2009

Em 19 de julho de 2009, exatamente 15 anos após os impactos do SL9, uma nova mancha negra do tamanho do Oceano Pacífico apareceu no hemisfério sul de Júpiter. As medições de infravermelho termal mostraram que o local do impacto estava quente e a análise espectroscópica detectou a produção de excesso de amônia quente e poeira rica em sílica nas regiões superiores da atmosfera de Júpiter. Os cientistas concluíram que outro evento de impacto ocorreu, mas desta vez um objeto mais compacto e mais forte, provavelmente um pequeno asteróide não descoberto, foi a causa.

O papel de Júpiter na proteção do Sistema Solar interior

Os eventos da interação de SL9 com Júpiter destacaram muito o papel de Júpiter em proteger os planetas internos de detritos interestelares e do sistema, agindo como um "aspirador cósmico" para o Sistema Solar (barreira de Júpiter). A forte influência gravitacional do planeta atrai muitos pequenos cometas e asteróides e acredita-se que a taxa de impactos cometários em Júpiter seja entre 2.000 e 8.000 vezes maior do que a taxa na Terra.

A extinção dos dinossauros não aviários no final do período Cretáceo é geralmente atribuída ao evento de impacto Cretáceo-Paleogeno, que criou a cratera Chicxulub, demonstrando que os impactos cometários são de fato uma séria ameaça à vida na terra. Os astrônomos especularam que, sem a imensa gravidade de Júpiter, os eventos de extinção poderiam ter sido mais frequentes na Terra e a vida complexa poderia não ter sido capaz de se desenvolver. Isso faz parte do argumento usado na hipótese da Terra Rara.

Em 2009, foi demonstrado que a presença de um planeta menor na posição de Júpiter no Sistema Solar pode aumentar significativamente a taxa de impacto de cometas na Terra. Um planeta com a massa de Júpiter ainda parece fornecer maior proteção contra asteróides, mas o efeito total em todos os corpos orbitais dentro do Sistema Solar não é claro. Este e outros modelos recentes questionam a natureza da influência de Júpiter nos impactos da Terra.