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Text File  |  1994-09-24  |  26KB  |  488 lines

  1. The following article is to appear in the ESO Messenger, September 1994,
  2. and is made available here with permission.  (ESO Messenger, c/o European
  3. Southern Observatory, Karl-Schwarzschild-Str. 2, D-85748 Garching, Germany.)
  4.  
  5.  
  6. Comet Shoemaker-Levy 9 Collides with Jupiter:
  7. The continuation of a unique experience
  8.  
  9.  
  10.  
  11. R. M. West, ESO, Garching bei Muenchen, Germany
  12.  
  13.  
  14. After the storm
  15.  
  16. The recent demise of comet Shoemaker-Levy 9, for simplicity often
  17. referred to as "SL-9", was indeed spectacular. The dramatic collision
  18. of its many fragments with the giant planet Jupiter during six hectic
  19. days in July 1994 will pass into the annals of astronomy as one of the
  20. most incredible events ever predicted and witnessed by members of this
  21. profession. And never before has a remote astronomical event been so
  22. actively covered by the media on behalf of such a large and interested
  23. public.
  24.  
  25. Now that the impacts are over and the long and tedious work to reduce
  26. the many data has begun, time has come to look back and try to
  27. appreciate what really happened. This may be easier said than done,
  28. for few of the many actors were able to experience the full spectrum
  29. of associated events. Most of the astronomers who were directly
  30. involved in the observations hardly had time to do anything else, and
  31. the interested lay-persons who watched on their TV screens the frantic
  32. activity all over the world were not in the best position to get a
  33. balanced overview from all of this. At this moment, two months later,
  34. more has become known about the many observational programmes and the
  35. first indications of the exciting science that will ultimately result
  36. from the enormous data sets have begun to emerge.
  37.  
  38. The 22nd General Assembly of the International Astronomical Union,
  39. held during the second half of August in The Hague (The Netherlands),
  40. offered the first opportunity to learn in more detail about the
  41. outcome from the very successful, world-wide observational efforts.
  42. Two four-hour sessions were ably organised at very short notice by
  43. Catherine de Bergh, David Morrison, Mike A'Hearn and Alan Harris. More
  44. recently, a meeting with the La Silla observers took place on
  45. September 12 at the ESO Headquarters in Garching.
  46.  
  47. Here follows a short and most certainly quite incomplete overview of
  48. the current status of the SL-9 observations and their great potential
  49. for new knowledge, based on the presentations during these meetings.
  50.  
  51.  
  52.  
  53. Six hectic days in July
  54.  
  55. ESO was but one of many professional observatories where observations
  56. had been planned long before the critical period of the "SL-9" event,
  57. July 16 - 22, 1994. It is now clear that practically all major
  58. observatories in the world were involved in some way, via their
  59. telescopes, their scientists or both. The only exceptions may have
  60. been a few observing sites at the northernmost latitudes where the
  61. bright summer nights and the very short evening visibility of Jupiter
  62. just over the western horizon made such observations next to
  63. impossible.  In addition, it is most gratifying that legions of
  64. amateur astronomers immediately went into action when it became known
  65. that the changes on Jupiter could be perceived in even very small
  66. telescopes.
  67.  
  68. During the week of the impacts, press conferences were held at many
  69. observatories; ESO arranged a series of very well attended media
  70. events in Garching and in Santiago de Chile. A day-to-day chronicle of
  71. what happened during this period may be found in the "ESO SL-9 News
  72. Bulletin" of which a total of 14 issues were prepared between July 10
  73. and 26. The full text, as well as many images and graphics may still
  74. be obtained from the ESO WWW Portal
  75. (http://http.hq.eso.org/eso-homepage.html) or via anonymous ftp
  76. (ecf.hq.eso.org; directory: pub/sl9-eso-images).
  77.  
  78. The observing possibilities were best from the southern hemisphere and
  79. by good fortune, the weather in South Africa and Australia was very
  80. co-operative during the critical week. It was less so in Chile, where
  81. La Silla, Cerro Tololo and Las Campanas were effectively clouded out
  82. during the latter part of the impact period. Long series of excellent
  83. observations were also made from La Palma and Calar Alto (Spain), as
  84. well as from Hawaii and observatories in Japan. Although details are
  85. still lacking, it is apparent that the programmes at many
  86. observatories in other countries were also very successful.  However,
  87. a complete list of all SL-9 observations has yet to be compiled.
  88.  
  89. At ESO, ten telescopes were in operation during the first nights, and
  90. as in other places, an extremely rich data material was secured. It
  91. quickly became evident that infrared observations, especially imaging
  92. with the far-IR instrument TIMMI at the 3.6-metre telescope, were
  93. perfectly feasible also during daytime, and in the end more than
  94. 120,000 images were obtained with this facility. The programmes at
  95. most of the other La Silla telescopes were also successful, and many
  96. more Gigabytes of data were recorded with them. Brief reports from
  97. some of these programmes are brought in this Messenger issue. The fact
  98. that a significant amount of observing time was allocated after the
  99. main event was over, turned out to be a major blessing and some of the
  100. most interesting data were obtained during the period immediately
  101. following the last impact on July 22.
  102.  
  103. It is not yet possible to estimate the total amount of SL-9
  104. observational data now available at observatories all over the world,
  105. but it may well run into many tens, perhaps hundreds of Gigabytes.
  106. One of the most urgent problems is now to get an overview of all these
  107. data so that observers from different sites will be able to establish
  108. effective collaborations.  It has also become evident that in order to
  109. understand the very complex processes around the impacts, in
  110. particular the detailed evolution of the plumes ("fireballs") that
  111. rose above the impact sites, it will be necessary to intercompare data
  112. from many different instruments with a variety of techniques, ranging
  113. from the high-resolution, extremely detailed UV and visual images of
  114. the Hubble Space Telescope, to "movie-like" image sequences obtained
  115. with infrared instruments like TIMMI, and long-exposure,
  116. high-dispersion spectra of these plumes obtained with more classical
  117. spectroscopic equipment.
  118.  
  119.  
  120.  
  121. Much hard work ahead
  122.  
  123. The observed effects were extremely spectacular, from the incredibly
  124. bright "fireballs" (or "plumes") which rose above the limb of the
  125. planet, to the intricate and changing forms of the resulting
  126. "pancake" clouds, of which several -- to the greatest surprise of
  127. many astronomers -- are still visible at the end of September,
  128. although less prominent than before.
  129.  
  130. Until now, most observational programmes have not progressed much
  131. beyond a purely phenomenological description of what was seen.
  132. However, it is also the task of all astronomical research to progress
  133. far beyond such a simple description; the ultimate goal is of course
  134. to understand the physical processes behind the event. This calls for
  135. "reduction" and "interpretation" of the data.  The first is a long
  136. and complicated procedure, involving different types of calibrations
  137. in order to "clean" the raw data from all possible, extraneous
  138. effects and to extract the quantitative information that is needed to
  139. arrive finally at a global understanding of what really happened.
  140.  
  141. For this reason, most observers have so far only been able to answer a
  142. few of the many questions which are now being eagerly asked from all
  143. sides. Having been treated to real fireworks of "real-time science"
  144. and "quick-shot guesstimates" (greatly facilitated by the incredibly
  145. successful initiation during this event of the "astronomy information
  146. super-highway", especially via Internet), and having been
  147. confronted (not to say "spoiled"!) with hundreds of impressive
  148. pictures of mushroom clouds in the southern hemisphere of Jupiter, the
  149. media and the public now keep asking when we will finally know what
  150. all of this means.
  151.  
  152. In this connection, it is sometimes difficult to explain that while
  153. modern astronomical observing techniques have become extremely
  154. efficient -- and this is the main reason that it was possible to
  155. respond to the unique challenge of the SL-9 event in such an
  156. impressive way and to obtain such a rich data material -- this does
  157. not mean that this science has also progressed to the point where the
  158. data reduction and the astrophysical interpretation can follow at the
  159. same pace. On the contrary, I think that a major lesson of this event
  160. is that more resources than before must now be directed towards this
  161. area -- otherwise we are at high risk to drown in the future data
  162. floods from the new giant telescopes like the VLT and its hosts of
  163. incredible effective instruments.
  164.  
  165.  
  166.  
  167. The comet fragments
  168.  
  169. So what have we learned so far about the comet, about Jupiter and
  170. about the impact process itself? As expected, unique observations
  171. like these have led to important new knowledge, but at the same time
  172. they do not fail to raise a host of new and difficult questions.
  173.  
  174. First of all, the comet was obviously a complex body. From the
  175. diversity of the impacts and their observed effects, it seems that
  176. there were important differences between the individual fragments;
  177. this provides an indication that the cometary parent body must have
  178. been an inhomogeneous object. On the other hand, polarimetric
  179. measurements of the dust clouds around the individual nuclei do not
  180. show any perceptible differences, so the dust produced by them appears
  181. to have been rather similar. Some nuclei, which were thought to be
  182. "large" because they were surrounded by much dust and were relatively
  183. bright, turned out to produce comparatively small effects during
  184. impact and in other cases, it was just the opposite. The famous
  185. example is the first fragment (A) that took everybody by surprise with
  186. its unexpectedly violent impact effects, while the second (B),
  187. although twice as bright, showed no observable effects at the moment
  188. of impact, although the corresponding atmospheric "hole" was later
  189. seen.
  190.  
  191. No gas was ever observed in the comet, despite extreme efforts to
  192. detect at least the usually strong cometary CN lines with the ESO
  193. NTT. So the fragments apparently produced only dust comae and
  194. tails. Is this reasonable?  Would not the break-up process have been
  195. accompanied by the escape of at least some gas, and would not the
  196. later release of dust have shown a small amount of gas at some time?
  197. Could it be that the comet, after all, was of an unusual type, or was
  198. the dust production in this case not driven by gas, as is commonly
  199. thought?  Or does this imply that we are mistaken in our present
  200. assumptions about how a "normal" comet ought to behave under the
  201. present circumstances? It was most probably not an asteroid though,
  202. as has also been surmised, the disappearance from view of some of the
  203. fragments makes this very unlikely. Another strange and unexplained
  204. effect is the elongation of the images of the fragments in the
  205. direction of Jupiter that was clearly observed during the last few
  206. days before the impacts. We obviously do not yet fully understand the
  207. dynamics of the dust in Jupiter's vicinity.
  208.  
  209.  
  210.  
  211. The impact process
  212.  
  213. It appears that the "meteoric" phase of the impacts, that is the
  214. entry of the fragments into the Jovian atmosphere and the expected
  215. heating of their surfaces by the associated friction, was not observed
  216. from the ground in reflection from the Jovian moons as predicted. The
  217. Galileo images of the W event which have now been transferred do show
  218. a light flash that lasted a few seconds, but it was not particularly
  219. strong and would probably not have been detected in reflection from a
  220. Jovian moon by the available ground-based instruments.  Why didn't the
  221. cometary fragments glow stronger during their encounter with the upper
  222. atmosphere? The reports of a possible colour change of the moon Io
  223. during the time of some of the impacts are still unexplained. And
  224. there are no obvious detections of IR reflections from Jupiter's dust
  225. ring.
  226.  
  227. It does appear that the total energies liberated were larger than
  228. anticipated, but it will not be possible to make accurate estimates,
  229. before the processes in and around the resulting plumes are better
  230. understood. From the amount of measured infrared emission alone, it
  231. seems that the cometary fragments must have been at least several
  232. hundred meters across in order to provide enough kinetical energy, but
  233. this is most certainly a lower limit only. Other estimates point
  234. towards the release of perhaps 1 million Megatons of energy or even
  235. more during the larger impacts -- this would then correspond to
  236. diameters well over one kilometre for the largest fragments.
  237.  
  238. It appears that it may already now be possible to determine the
  239. approximate depth of the penetration by the fragments into the
  240. atmosphere. The observations of large amounts of NH3 and relatively
  241. little H2O in some of the plumes (see below) indicate that the most
  242. energetic explosions most likely took place between the second
  243. (assumed to contain NH4SH aerosol) and the third (H2O) cloud
  244. layers.
  245.  
  246.  
  247.  
  248. The fireballs and the plumes
  249.  
  250. The detailed circumstances of the final explosions and the resulting
  251. fireballs pose one of the greatest interpretative problems of the SL-9
  252. event. Several ground-based infrared instruments detected
  253. "precursors" in the form of small and bright, rapidly expanding
  254. clouds appearing above the limb within about one minute after the
  255. presumed impact times as determined by the all-disk photometer onboard
  256. Galileo. The Hubble Space Telescope high-spatial resolution near-IR
  257. and visual images show the same phenomenon. 
  258.  
  259. It is not at all obvious what this signifies, but it is now generally
  260. believed that this is the image of a rising fireball (during its
  261. continued development also referred to as "mushroom cloud" and
  262. "plume"), still in Jupiter's shadow and shining in the optical region
  263. by its own light because of its very high temperature (values in
  264. excess of 10,000 degrees have been mentioned). Rising ever higher
  265. while it rapidly cools, the total intensity of the plume above the
  266. impact site first decreases, but as it continues to grow and the upper
  267. parts move into sunlight, the optical brightness again increases as
  268. more and more sunlight is reflected. 
  269.  
  270. The cooling process leads to a sharp maximum of radiation in the
  271. infrared spectral region, some 10 - 15 minutes after the impact -- the
  272. moment of maximum and the overall shape of the lightcurve is
  273. determined by a complex combination of temperature, size of the plume
  274. and visibility (geometry), into which enters the effect of the rapid
  275. Jovian rotation that quickly brings more and more of the plume into
  276. view from the Earth. It will be very difficult to untangle these
  277. effects from each other and to arrive at a consistent description of
  278. the plume development. Moreover, some pronounced humps in several of
  279. the IR lightcurves point towards multiple impacts, e.g., at the L- and
  280. R-events, adding yet another formal difficulty to this procedure.
  281.  
  282.  
  283.  
  284. The long-term atmospheric features
  285.  
  286. The further development of the plumes is also not entirely
  287. unambiguous, although there is now a general consensus that the debris
  288. from the explosion in the end settles into "pancake"-shaped clouds
  289. at an altitude high above the visible clouds that corresponds to about
  290. the 1 millibar level in the atmosphere. Several types of observations
  291. indicate that these clouds are made up of "haze" (aerosols) and not
  292. by molecules (e.g., their IUE UV spectra are rather flat). In the IR
  293. spectral region, they look bright because of reflected sunlight and
  294. they hide the features below. In the visible spectral region, they are
  295. transparent at many wavelengths. They are generally darker than the
  296. Jovian cloud layer, except when viewed at the wavelengths that
  297. correspond to the strongly absorbing methane bands; here the clouds
  298. again appear bright on the very dark background.
  299.  
  300. The excellent HST images, for instance those obtained of the G impact
  301. site just after its appearance at the limb, show a very complex
  302. structure near the impact sites. In the middle is a "black" hole,
  303. which probably represents the material around the "funnel" excavated
  304. by the impacting fragment. To begin with it is surrounded by several,
  305. partly incomplete "rings" of rather short lifetime. The inner ones
  306. are possibly shock waves in the atmosphere moving outward from the
  307. impact site, while the outer, broad horseshoe-shaped features appear
  308. to represent the resettling debris that was lifted to very high
  309. altitudes before coming back down. When compared to impact experiments
  310. in the laboratory, this pattern fits quite well with the direction and
  311. the 45 deg. angle of entry of the cometary fragments.
  312.  
  313. It is in this connection also interesting to note that the very bright
  314. sky observed in Europe and Asia during the night following the
  315. Tunguska impact on July 30, 1908, may now be explained by a similar
  316. effect, namely the very rapid deposition over a large area of debris
  317. (dust) that moves along high, ballistic orbits from the impact
  318. site. Moreover, the trail of the Tunguska object was described as a
  319. large smoke column. This would seem to strengthen the interpretation
  320. of this terrestrial event as being of a basically similar nature.
  321.  
  322. Many of the later impacts hit the sites of earlier ones and the
  323. resulting geometric configurations soon became very complex.  The
  324. further development of the cloud patterns has since been followed at
  325. many observatories. While the smaller clouds have (almost) disappeared
  326. in the meantime, the larger complexes are still visible, also in
  327. smaller telescopes. Diffusion in longitude because of the wind in the
  328. Jovian atmosphere set in early, and after some time, spreading in the
  329. North-South direction was also observed. Two months after the last
  330. impact, the cloud contours continue to be gradually washed out and
  331. there is an increased degree of mutual overlap. Nobody knows at this
  332. moment how long these features will continue to be visible. It is
  333. unfortunate that the monitoring of these changes will soon be
  334. interrupted for some time while Jupiter moves behind the Sun as seen
  335. from the Earth.
  336.  
  337.  
  338.  
  339. The composition
  340.  
  341. The composition of the plumes was investigated by spectroscopy in many
  342. different wavebands. While no entirely new molecules have been found
  343. during quick-looks at the very large data material, it is expected
  344. that further analysis will eventually make it possible to document in
  345. some detail the complex chemical processes that took place during the
  346. early phases of expansion and subsequent collapse. The following
  347. elements and molecules have been seen in the spectra: Li, Na, Mg, Mn,
  348. Fe, Si and S; NH3, CO, H2O, HCN; H2S, CS, CS2, S2; CH4, C2H2, C2H6, and 
  349. possible others.  
  350.  
  351. Of particular interest is here the detection of the strong Li-line at
  352. 6708 A in emission: from where does this element come, the comet,
  353. Jupiter or both? I am not aware that Lithium has ever been observed
  354. in any comet. Enormous quantities of molecular sulphur (S2) were
  355. seen in high-dispersion UV-spectra obtained with the HST. A very first
  356. estimate indicates no less than approx. 10^15 g in one fireball, or
  357. almost 1%  of the estimated total mass of the nucleus of P/Halley!
  358. Although there was surprisingly much sulphur in P/Halley (about 9% 
  359. of the carbon content), this material must clearly come mostly from
  360. Jupiter and this observation provides the first unambiguous proof of
  361. the (predicted) presence of large amounts of this element in the
  362. deeper layers of the Jovian atmosphere.  One of the greatest mysteries
  363. may be the almost complete absence of water in the plumes -- in 1986,
  364. P/Halley was found to consist to 80% of water ice -- where did the
  365. cometary water go?  Or maybe the question should be re-formulated:
  366. with which elements did these hydrogen and oxygen atoms later
  367. recombine to form new molecules?
  368.  
  369. Very rapid spectral changes were seen in the plumes. For instance,
  370. while emission lines of Li, Na, K and Ca were present in the first
  371. spectrum of the L impact plume obtained at the Pic du Midi
  372. observatory, the next spectrum only 20 minutes later was entirely
  373. different. At ESO, the IRSPEC spectra obtained at the NTT showed
  374. highly excited CH4 emission in the first spectra of the H impact
  375. site. The intensity decreased very rapidly until it could no longer be
  376. seen 30 minutes later. KAO far-IR observations also showed hot CH4
  377. and IRAM submillimetre HCN spectra showed line broadening in areas of
  378. several impacts. 
  379.  
  380. It appears unlikely that a fully coherent picture of what happened in
  381. the plumes will ever be obtained unless an unprecedented synthesis of
  382. the complex information in all available spectra is attempted. At this
  383. moment, condensation of CO and possibly other species is thought to
  384. play an important role. Moreover, the fact that for instance the
  385. PH3 emission did not change much indicates that the deep atmosphere
  386. of Jupiter was not altered very much by the impacts.
  387.  
  388.  
  389.  
  390. The Jovian magnetosphere
  391.  
  392. Another, very interesting result is the detection of enhanced auroral
  393. activity in the Jovian atmosphere which is clearly related to the
  394. impacts. This was first seen in the UV images from the HST that showed
  395. a strong effect near the northern pole. It is assumed that this is due
  396. to the rapid motion along the magnetic field lines of charged
  397. particles created at the impact site. The unexpected detection of
  398. symmetric emission patterns in the northern hemisphere in IR lines of
  399. H and H, as seen in the days after July 22 by IRSPEC, is
  400. another strange phenomenon that may possibly be contributed to by the
  401. same mechanism.
  402.  
  403. The predictions about possible effects of cometary dust entering into
  404. the Jovian magnetosphere ranged from negligible to dramatic. One
  405. uncertain element was of course the amount of dust, but it was very
  406. difficult to model the physical processes. The same was true for the
  407. overall effects on the faint Jovian dust ring because of dust
  408. accumulation and so were the changes in the Io torus because of
  409. charged cometary particles.
  410.  
  411. While there have been no reports about observations of changes in the
  412. Io torus or in the Jovian dust ring, the first accounts about apparent
  413. variations in the Jovian radio emission may not have taken fully into
  414. account its inherently variable nature, due to the changing aspects of
  415. Jupiter's offset dipole field. Indeed, there were conflicting claims
  416. during the first days, ranging from no changes at all, e.g., the first
  417. summary of the observations from the Ulysses spacecraft, to very
  418. significant changes purportedly registered in some places.
  419.  
  420. However, after the firm establishment of valid baseline models it has
  421. become clear that a gradual, but significant enhancement of the
  422. radiation was actually observed, amounting to about 20  at 13 cm
  423. wavelength.  Increases were also seen at longer wavelengths, perhaps
  424. even in excess of this figure. An interesting effect was the apparent
  425. inward motion of the "radiation points", as observed at Westerbork
  426. and with the VLA.  The physical reason for this is not yet
  427. established.
  428.  
  429.  
  430.  
  431. Seismology
  432.  
  433. What about the seismological measurements which may finally give us
  434. the first opportunity to elucidate the inner structure of Jupiter? It
  435. is still too early to say anything, except that the necessary
  436. observations, in the form of more than 100,000 infrared images, have
  437. indeed been secured and that the extremely tedious data analysis has
  438. already started. It will take a long time to eliminate all the
  439. instrumental effects and even longer to extract any faint, seismic
  440. message from these frames.  Incidentally, certain reports about
  441. ring-shaped structures which were purportedly seen on some CCD frames
  442. and which were provisionally interpreted as possible waves in the
  443. Jovian atmosphere, are now believed to be instrumental and/or
  444. reduction artefacts.
  445.  
  446.  
  447.  
  448. Future SL-9 Meetings
  449.  
  450. The analyses of the voluminous SL-9 data continue, but it is unlikely
  451. that a coherent picture of what really happened will emerge before
  452. next year. In the meantime, the observers stay in contact and have
  453. begun to exchange information about this process. They will also meet
  454. at regular intervals. The first, major presentation will take place
  455. during a one-day session at the DPS meeting in Bethesda near
  456. Washington DC on October 31, 1994. A major IAU colloquium is planned
  457. for May 1995 at the STScI in Baltimore, Maryland, USA.
  458.  
  459. The possibility of holding a smaller meeting at ESO in February 1995,
  460. mainly with the participation of observers in Europe, is now being
  461. looked into and a decision is expected to be taken by mid-October
  462. 1994. For the latest information, please consult the ESO WWW Portal
  463. (address see above).
  464.  
  465.  
  466.  
  467. Conclusions
  468.  
  469. SL-9 is no more. By its glorious death it has provided us with an
  470. unequalled and exciting opportunity to study the inner parts of a
  471. comet and to analyse the Jovian atmosphere. It also has enabled us to
  472. learn what they do to each other when they collide at 60 km/sec.
  473.  
  474. When asked what the preliminary information from this event can tell
  475. us about a similar one on the Earth, Mike A'Hearn, the summary speaker
  476. at the IAU General Assembly sessions on SL-9, said that there is now
  477. little doubt that a cometary impact of the same nature and dimensions
  478. would not dissipate much energy in the upper atmosphere and that it
  479. would obviously reach the Earth's solid surface and produce the
  480. associated effects.  The continued study of the SL-9 observations will
  481. most certainly also cast more light on this very relevant terrestrial
  482. problem.
  483.  
  484. ---------------------------End
  485.  
  486.  
  487.  
  488.