Delta
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Delta > Astronomia - spis artykułów >  KOMETA KAMIKADZE, czyli zderzenie komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem  
  Jesteś tutaj
Wybór artykułów z miesięcznika "Delta"
"Delta" to miesięcznik popularyzujący matematykę, fizykę i astronomię na bardzo wysokim poziomie, wydawany od 1974 roku.
Wirtualny Wszechświat prezentuje wybór tekstów publikowanych w "Delcie" od pierwszego numeru po początek XXI wieku.
  Szukacz
Delta 01/1996
Krzysztof ZIOŁKOWSKI
KOMETA KAMIKADZE, czyli zderzenie komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem

Zderzenie komety Shoemaker-Levy 9 z Jowiszem, którym to zderzeniem emocjonowaliśmy się w lipcu 1994 roku, było zjawiskiem znacznie okazalszym i bardziej intrygującym, niż się spodziewano. Zanim jednak przedstawimy wyniki rocznych badań jego przebiegu i skutków, przypomnimy krótko wiadomości o tym niezwykłym ciele niebieskim, które zakończyło swój żywot w tak spektakularny sposób na oczach niemal całego świata.

Kometa Shoemaker-Levy 9 została odkryta w końcu marca 1993 roku w Obserwatorium Palomarskim w Kalifornii przez znanych amerykańskich łowców komet: Karolinę i Eugeniusza Shoemakerów oraz Dawida Levy'ego. O jej wyjątkowości przesądziły trzy fakty: że jest satelitą Jowisza, że składa się z około 20 części rozciągniętych w przestrzeni prawie wzdłuż linii prostej oraz że w lipcu 1994 r. zderzy się z Jowiszem. Z tak niezwykłym obiektem astronomowie jeszcze nigdy się nie spotkali. Wprawdzie znanych jest kilka przypadków przechwycenia przez Jowisza komety, która przez kilka lat była jego satelitą (np. kometa Gehrels 3 w latach 1968-1974, czy też kometa Helin-Roman-Crockett w latach 1973-1985), obserwowano też rozpady komet na fragmenty (np. komety Brooksa 2 po jej wielkim zbliżeniu do Jowisza w 1886 roku czy też komety Westa w 1976), ale uderzenia komety w planetę dotychczas nie widziano. Znane są jedynie liczne ślady takich wydarzeń z przeszłości w postaci kraterów uderzeniowych na powierzchniach różnych ciał Układu Słonecznego, w tym również i naszej planety. Na Ziemi odkryto już około 140 śladów. Ostatnio wielkie zainteresowanie budzą doniesienia o wykryciu na Jukatanie krateru o średnicy około 200 km, powstałego prawdopodobnie 65 mln lat temu wskutek uderzenia kilkukilometrowej bryły, które spowodowało wielkie spustoszenia i zmiany o charakterze globalnym, powszechnie uważane za przyczynę wyginięcia dinozaurów.

Od momentu odkrycia kometa Shoemaker-Levy 9 stała się więc przedmiotem bardzo intensywnych i wszechstronnych badań. Częste pomiary pozycji na niebie poszczególnych jej fragmentów umożliwiły stosunkowo dobre poznanie ich ruchu w przestrzeni. Okazało się, że wszystkie części komety przeszły przez peryjowium, czyli punkt orbity najbliższy Jowisza, prawie w tym samym momencie (7 lipca 1992) i prawie w tej samej odległości od planety (0,3 promienia Jowisza od jego powierzchni). Wynika stąd, że znalazłszy się w okolicy peryjowium, kometa najprawdopodobniej rozpadła się w wyniku działania sił pływowych masywnego przecież Jowisza.

Brak jakichkolwiek obserwacji komety przed jej rozpadem w zasadzie uniemożliwia prześledzenie jej ruchu w przeszłości. Nieznany więc pozostaje mechanizm jej przechwytu przez największą planetę. Czynione są jednak różne próby rozwikłania tej zagadki. Statystyczna analiza trajektorii poszczególnych części komety, wykonana m.in. przez amerykańskich astronomów L. A. M. Bennera i W. B. McKinnona, wydaje się wskazywać, że kometa już od wielu lat krążyła wokół Jowisza, a najbardziej prawdopodobnym okresem, w którym mogła zostać przez niego schwytana, jest przełom lat dwudziestych i trzydziestych naszego wieku.

Ciekawie na tym tle wyglądają wyniki obliczeń polskiego badacza ruchów komet, Grzegorza Sitarskiego. Przyjął on mianowicie, że danymi wyjściowymi do badania ruchu komety w przeszłości może być położenie i prędkość środka masy jej fragmentów w momencie rozpadu. Okazało się wtedy, że kometa dawniej mogła obiegać Słońce po prawie kołowej orbicie znajdującej się całkowicie poza orbitą Jowisza. Coraz silniejsze przyciąganie grawitacyjne doganiającego kometę Jowisza doprowadziło na początku 1991 roku do takiej zmiany jej toru, że stała się jego satelitą, a wkrótce potem nastąpiło jej wielkie zbliżenie do planety 7 lipca 1992 roku. Trzeba jednak podkreślić, że rezultaty tych obliczeń wskazują na razie tylko na możliwości rozwiązania problemu i w żadnym razie nie mogą być uważane za ostateczne.

Podobnie rzecz ma się z opisem samego procesu rozpadu. Wśród różnych modeli rozpadu komety zwraca uwagę koncepcja amerykańskich fizyków J. M. Hahna i T. W. Rettiga. Drogą modelowania cyfrowego doszli oni do wniosku, że jeśli pierwotny obiekt miał gęstość około 0,6 g/cm3 i był zlepkiem co najmniej 500 luźno związanych bryłek, to w obłoku cząstek powstałym po rozpadzie będą się wskutek wzajemnej grawitacji tworzyć zgęszczenia i w czasie rzędu 10 godzin od rozpadu cały obłok skondensuje się właśnie w około 20 fragmentów rozlokowanych mniej więcej wzdłuż linii prostej przechodzącej przez środek Jowisza. Dodatkowym atutem tej propozycji jest dostarczenie poparcia hipotezie sformułowanej kilka lat temu przez P. Weissmana o jądrze komety jako rumowisku cząstek skalno-lodowych, związanych bardzo słabymi siłami spójności (ang. rubble pile).

Spośród trzech wymienionych na początku osobliwości komety Shoemaker-Levy 9 największe zainteresowanie budzi jednak jej zderzenie z Jowiszem. Dolatujące do planety, jej fragmenty rozciągnęły się w przestrzeni na dystansie około 2,5 mln km i dlatego bombardowanie przez nie Jowisza zajęło kilka dni - od 16 do 22 lipca 1994 roku. Miejsca uderzeń znajdowały się, niestety, po niewidocznej z Ziemi, nocnej stronie planety, ale na tyle blisko krawędzi jej tarczy, że już po mniej więcej 20 minutach od momentu każdego uderzenia można było oczekiwać pojawienia się jakichś jego skutków (okres obrotu Jowisza trwa niespełna 10 godzin). Ku wielkiemu zaskoczeniu obserwatorów pierwsze oznaki uderzenia dały się zauważyć kilkanaście minut wcześniej w postaci pojaśnienia na brzegu tarczy planety. Jasność tej poświaty szybko wzrastała, by po upływie 10-15 minut przerodzić się w spektakularny błysk, szczególnie efektowny w promieniowaniu podczerwonym. Zaskoczeniem było, że obłok gazów, powstałych w eksplozji kończącej spadek fragmentu komety z prędkością 60 km/s, wzniósł się aż do wysokości 3000 km. Wierzchołek szybko unoszącego się pióropusza materii, osiągnąwszy wysokość 400 km, zaczynał być widoczny dla ziemskiego obserwatora, wyłaniając się spoza krawędzi tarczy planety. Znajdując się początkowo jeszcze w cieniu Jowisza, świecił tylko własnym promieniowaniem gazów rozgrzanych do bardzo wysokiej temperatury, a później - po wyjściu z cienia - jego promieniowanie ulegało wzmocnieniu przez rozproszone w nim światło słoneczne.

W miarę obrotu planety coraz większa część tego pióropusza stawała się z Ziemi widoczna. Jednak po kilkunastu minutach jego blask zaczynał słabnąć w wyniku opadania i rozpraszania się szybko stygnących gazów. Po następnych kilku minutach ukazywały się na tarczy Jowisza niezwykłe kształty plam pozostałych po całym wydarzeniu. Dodajmy, że dotychczas nie udało się znaleźć zadowalającego wytłumaczenia faktu, że uderzenia fragmentów kometarnych o różnej przecież wielkości i masie powodowały uniesienie pióropusza materii na taką samą mniej więcej wysokość.

Szybko rozprężająca się chmura materii o początkowej temperaturze rzędu 8000 K (czyli wyższej od temperatury powierzchni Słońca) stanowiła mieszaninę materii komety oraz pochodzącej z powierzchniowych warstw Jowisza, której cząsteczki musiały w najgorętszych miejscach ulec dysocjacji termicznej. Bardzo trudno jest więc określić jej skład chemiczny i stwierdzić, jakie zachodziły w niej procesy fizyko-chemiczne. Największe bodaj zdziwienie wywołuje wielka obfitość siarki, na której obecność - oprócz, oczywiście, cząsteczek S2 - wskazują zaobserwowane molekuły CS, CS2, H2S, OCS, SO, SO2. Wprawdzie przypuszcza się, że siarka występuje w głębszych warstwach atmosfery Jowisza w postaci wodorosiarczku amonowego (NH4SH), ale na razie nie znaleziono mechanizmu, który byłby zdolny unieść na taką wysokość stwierdzone ilości tego pierwiastka. W każdym razie nie wydaje się możliwe, by mogła być ona pochodzenia kometarnego, gdyż w kometach - według tego, co dotychczas o nich wiemy - siarki jest bardzo mało.

Od dawna natomiast wiadomo, że jednym z głównych składników komet jest lód wodny. Np. w jądrze najlepiej poznanej dotychczas komety Halleya stanowi on około 80% masy. Tymczasem pierwsze wskazywały, że w pióropuszach materii - unoszonej w wyniku uderzeń fragmentów komety - wody nie znaleziono. Wkrótce jednak okazało się, że obserwacje spektroskopowe, wykonane z pokładu samolotowego obserwatorium NASA im. G. Kuipera, potwierdziły jej obecność, choć w mniejszej, niż się spodziewano ilości. Amerykański astronom G. Bjoraker dokonał obrazowego oszacowania, że z zaobserwowanej wody można by utworzyć kulę lodu o średnicy 400 m. Tak więc panuje pogląd, że najprawdopodobniej woda ta jest pochodzenia kometarnego. Wprawdzie oczekuje się też obecności wody w warstwie atmosfery Jowisza, położonej na głębokości około 50 km, jednak tak głęboko fragmenty komety chyba się nie zanurzyły.

Obserwacje spektroskopowe wskazały również na obecność m.in. krzemu, magnezu, żelaza, a nawet litu. Największym zaskoczeniem jest pojawienie się w materii pióropusza najlżejszego z metali, litu, którego obecności ani w kometach, ani na Jowiszu dotychczas nie stwierdzono. Odkryte metale pochodzą przypuszczalnie z ablacji fragmentów komety w początkowej fazie jej przelotu przez górne warstwy atmosfery Jowisza (tak nazywamy gwałtowne topienie się i odparowywanie materii ciała, które z wielką prędkością wpadło w atmosferę planety; na Ziemi prowadzi do zjawiska meteoru). Warto tu dodać, że w przypadku jednego z największych fragmentów komety (oznaczonego literą G) zaobserwowano silną dwuminutową emisję zjonizowanego magnezu już na cztery dni przed zderzeniem, a więc prawdopodobnie podczas pierwszego kontaktu z magnetosferą Jowisza (czyli obszarem dominacji plazmy okołoplanetarnej nad plazmą wiatru słonecznego).

Szybko wirujące wraz z planetą pole magnetyczne Jowisza działa jak akcelerator, przyspieszając cząstki naładowane do prędkości bliskich prędkości światła. Są one z kolei źródłem promieniowania mikrofalowego Jowisza odbieranego na Ziemi za pomocą radioteleskopów. Bombardowanie Jowisza przez kometę spowodowało znaczny wzrost natężenia tego promieniowania. Okazał się on zależny od długości fali i wynosił od 10% na falach 70-90 cm aż do około 45% dla fal 6-36 cm. Powrót do normalnego poziomu tej emisji trwał mniej więcej 3 miesiące. Obserwacje wykonane za pomocą Very Large Array w Soccoro (USA) pokazały, że nadwyżka promieniowania pochodziła głównie z obszarów równikowych Jowisza o długościach jowigraficznych takich jak długości miejsc spadków fragmentów komety. Sugeruje to, że za obserwowany efekt odpowiedzialny jest raczej wzrost energii cząstek już obecnych w magnetosferze niż wzrost ich liczby w wyniku eksplozji.

Do nieoczekiwanych zjawisk związanych ze spadkiem komety można też zaliczyć pojaśnienie powierzchni planety w miejscach półkuli północnej, położonych symetrycznie względem równika do miejsc półkuli południowej trafianych fragmentami komety. Najbardziej wiarygodnego wytłumaczenia tego efektu dostarcza mechanizm, który jest również odpowiedzialny za powstawanie zórz polarnych w atmosferze Ziemi. Wzbudzenie bowiem świecenia atmosfery planety najprawdopodobniej jest wywołane bombardowaniem jej przez elektrony i protony uwolnione podczas zderzenia oraz przyspieszone do prędkości relatywistycznych i przeniesione z półkuli południowej na północną wzdłuż linii pola magnetycznego Jowisza. Wywołane przypuszczalnie w ten sposób promieniowanie obserwowano do 7 sierpnia, przy czym maksimum jego natężenia zarejestrowano 27 lipca, czyli 5 dni po uderzeniu w planetę ostatniego fragmentu komety. Ta zorzowa aktywność Jowisza była także widoczna w zakresie rentgenowskim, co stwierdził sztuczny satelita Ziemi, ROSAT.

Zdjęcia Jowisza wykonane za pomocą teleskopu kosmicznego Hubble'a ukazały pojawienie się kołowych pierścieni wokół miejsc uderzeń pięciu fragmentów komety (oznaczonych literami A, E, G, Q1 i R). Widoczne one były przez kilka godzin, kiedy rozprzestrzeniały się ze stałą mniej więcej prędkością 450 m/s. W przypadku fragmentów E i G dostrzeżono ponadto znacznie słabsze, wewnętrzne pierścienie ekspandujące z prędkością w granicach 180-350 m/s. Analizując te zjawiska, amerykański "geolog" planetarny A. P. Ingersoll doszedł do wniosku, że obserwowane efekty mogą być wyjaśnione przez zaburzenia troposfery rozchodzące się poziomo w hipotetycznej warstwie bogatej w parę wodną, wzbudzone eksplozją fragmentu komety o rozmiarach rzędu 2 km.

Wśród pilnie poszukiwanych, a na razie nie wykrytych efektów zderzenia trzeba wymienić fale sejsmiczne, których wzbudzenia w globie planety należało oczekiwać w wyniku uderzeń brył komety. Ich propagacja powinna ujawnić się poprzez subtelne zmiany temperatury na powierzchni planety. Negatywny wynik dotychczasowych badań każe sądzić, że średnice fragmentów komety nie mogły przekraczać 0,5 km (zakładając, że miały gęstość lodu). Z kolei nie wiadomo, jak eksplozja obiektu o tak małych rozmiarach byłaby w stanie wywołać niektóre spośród obserwowanych zjawisk, np. uniesienia pióropusza materii na wysokość aż 3000 km. Okazuje się więc, że tak podstawowa sprawa, jak określenie wielkości i masy poszczególnych części komety, pozostaje jeszcze ciągle jedną z najtrudniejszych do rozwikłania zagadek całego wydarzenia.

Podobnych znaków zapytania jest jeszcze dużo. Do uzyskania odpowiedzi przynajmniej na niektóre z już sformułowanych pytań, a także nowych, które niewątpliwie pojawią się w przyszłości, przyczyni się zapewne sonda Galileo. W grudniu 1995 roku stanie się ona sztucznym satelitą Jowisza i przez prawie dwa lata będzie badać planetę zbombardowaną przez kometę Shoemaker-Levy 9 i jej otoczenie. Sonda ta, wystrzelona z Ziemi w 1989 roku, już dokonała różnych spektakularnych odkryć; była przy tym praktycznie jedynym przyrządem zbudowanym przez człowieka mogącym bezpośrednio obserwować uderzenia poszczególnych fragmentów komety w Jowisza. Trudno więc przecenić rolę uzyskanych przez nią danych w dalszej analizie całego wydarzenia. Co teraz zobaczy na powierzchni Jowisza w miejscach, które stały się poniekąd grobem komety-kamikadze, pokaże bliska już przyszłość.

Pisane latem 1995 roku




[góra strony]
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach