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La collision de Shoemaker-Levy 9 avec Jupiter

Chronologie des évènements (I)

En juillet 1994, au grand étonnant de tous les astronomes nous avons assisté à un évènement devenu très rare dans le système solaire : une comète est entrée de plein fouet en collision avec Jupiter ! Cet évènement majeur mobilisa tous les observatoires, amateurs et professionnels, au sol ou en orbite. La moisson de données fut riche d’informations concernant la composition de l’atmosphère des deux corps et de la thermodynamique du phénomène. Il confirme l’état de nos connaissances de la planète jovienne et le fait que son influence gravitationnelle se ressent bien au-delà de Saturne.

La comète Shoemaker-Levy 9 fut découverte le 24 mars 1993 par le couple Eugène et Carolyn Shoemaker ainsi que David Levy au moyen d'un télescope Schmidt de 400 mm d'ouverture installé au mont Palomar. La comète était alors de 14e magnitude. Son existence fut confirmée par James V.Scotti du projet Spacewatch de l'Université d'Arizona. Elle présentait une forme en éventail plutôt inhabituelle même s'il s'agissait d'un effet de perspective.

En fait c'est au cours de son passage l'année précédente qu'elle subit un gradient gravitationnel très intense près de Jupiter qui fragmenta son noyau en multiples morceaux. Le 27 mars 1992 elle comptait 17 sous-noyaux qui formaient une longue chaîne perlée de 50" d'arc de longueur. Mais cela on ne pouvait pas très bien le distinguer dans un petit télescope. On fit alors appel au Télescope Spatial Hubble qui révéla le phénomène.

L'étonnante découverte

Le 1 juillet 1993, l'une des premières images prise par Hubble montrait clairement la fragmentation de la comète SL9 en une longue chaîne. On dénombrait 15 sous-noyaux dans l'image complète. Document NASA/ESA/STScI.

Pourquoi Shoemaker-Levy 9 s'est-elle fragmentée ? A l'image d'un ressort sur lequel on tire, une comète présente également une force de tension au-delà de laquelle elle cède comme je l'ai expliqué dans la page consacrée à la nature des comètes. La force de tension d'une comète est environ 2.5 millions de fois inférieure à celle d'un ressort en aluminium (1000 dynes par centimètre carré); son noyau est donc très sensible aux gradients gravitationnels, en l'occurence aux forces de marées qu'elle peut subir en s'approchant trop près d'un corps massif.

Pour Jupiter la limite de Roche, la limite en-dessous de laquelle tout corps se fragmente en vertu des forces gravitationnelles, est située à 119000 km au-dessus du sommet des nuages supérieurs. Par comparaison, cette limite se situe à 169000 km pour un corps sphérique ayant une masse volumique de 0.5 g/cm3. Avec une densité de 1.31, Jupiter est très léger mais il n'empêche qu'il est 11 fois plus volumineux que la Terre et offre une masse gravitationnelle 319 fois supérieure à celle de notre planète !

En fait Shoemaker-Levy n'est pas la seule à s'être fragmentée en s'approchant un peu trop près de Jupiter. En 1886, Brooks 2 connu le même sort à 72000 km de Jupiter, tandis que la famille des comètes de Kreutz subissent le même effet près du Soleil.

Pendant des décennies Shoemaker-Levy 9 n'avait probablement subit aucune contrainte gravitationnelle intense car jusque là elle ne s'était jamais rapprochée à moins de 9 millions de kilomètres du géant jovien. Mais le 8 juillet 1992, Shoemaker-Levy 9 frôla la couche de nuages supérieure de Jupiter à 25000 km d'altitude seulement, un rapprochement qui allait provoquer un stress gravitationnel fatal. Allait-elle subir une décélération et le percuter ? Percuter n'est pas vraiment le mot car Jupiter est une planète gazeuse sans surface solide. Mais animée d'une vitesse hypersonique, l'énergie contenue dans la masse dynamique équivaut bien à celle d'un impact sur une surface solide.

Pour calculer l'orbite de la comète les astronomes se fondèrent sur un sous-noyau précis représentant au mieux le centre de masse de toute la chaîne à l'instant donné. Cette tâche fut complexe mais disposant de nombreuses observations les astronomes parvinrent à la conclusion fatale : Shoemaker-Levy 9 repasserait à 25000 km... du centre de Jupiter le 19 juillet 1994. Autant dire qu'avec un rayon de 76398 km, une partie au moins des fragments allaient entrer en collision avec Jupiter.

En décembre 1993, la probabilité de collision était estimée supérieure à 99.99 %. Les fragments devaient frapper Jupiter durant plusieurs jours autour du 19 juillet. L'assaut se ferait de nuit, sur la face cachée de Jupiter. Le "point Zéro" serait situé par 45° de latitude Sud et 6.5° de longitude comptés à partir du limbe. La comète arriverait par le Sud, sa trajectoire formant un angle de 7° avec l'axe de rotation de Jupiter. Vu de la Terre l'impact aurait lieu 15° derrière le terminateur (ou 75° depuis le méridien de minuit), donc sur la partie du limbe encore plongée dans l'obscurité. Les astronomes devraient malheureusement patienter un peu pour observer les éventuels effets de ces collisions en chaîne.

Shoemaker-Levy 9

Images réalisées par le Télescope Spatiale Hubble le 27 janvier 1994. Nous sommes à 5 mois de la collision fatale. Document NASA/ESA/STScI.

Entre le 24 et le 27 janvier 1994  Shoemaker-Levy 9 présentait un collier de 21 fragments formant autant de petites comètes indépendantes chacune entourée de sa coma, la chaîne perlée s’étendant sur plus de 1.1 millions de kilomètres. Ce chapelet signait ses dernières heures et fonça vers l’atmosphère jovienne à plus de 60 km/s, 216000 km/h !

Fonçant droit sur Jupiter à la vitesse d'un bolide, la collision fut inévitable : les dernières estimations des astronomes prévoyaient l'impact des premiers fragments le 16 juillet 1994  à 20h00m40s, les derniers devant survenir le 22 juillet à 7h59m45s. Par rapport au timing réel, l'erreur sur les instants des impacts fut inférieure à 11 minutes. La trajectoire Sud-Nord quasi parallèle à l'axe de rotation était confirmé et les fragments devaient frapper la couche nuageuse supérieure de Jupiter sous un angle d'environ 45°.

En quelques jours tous les observateurs purent voir se dessiner les blessures provoquées par ces impacts : Jupiter avait des hématômes !

Géométrie des impacts

Les impact des fragments de la comète SL9 se sont produits quelques degrés sous le limbe de Jupiter nous empêchant d'observer les instants de contact.

La plume d'ejecta de l'impact G dut s'élever à plusieurs centaines de kilomètres d'altitude pour être visible depuis la Terre.

Par ailleurs la trajectoire des fragments formant un angle de 7° par rapport au sud jovien, notre ligne de visée était proche de la perpendiculaire et n'a pas permis d'observer l'effet produit par l'oblicité des impacts.

Les équipes de chercheurs ont toutefois pu reconstituer la séquence des évènements en se basant sur les données photométriques réalisées depuis le sol en infrarouge par les observatoires de Palomar, Keck, Okayama et de l'ESO et en les comparant aux données photopolarimétriques (PPR) de la sonde Galileo. Documents T.Lombry.

Les impacts

Pour bien saisir l'évolution du phénomène, lancez les deux simulations suivantes, l'une vue sous divers angles et réalisée par le JPL, la seconde présentant l'impact vu dans l'axe de la comète.

A consulter : Les impacts - liste et timing

Simulation des impacts

En perspective

Avi 1.5 MB

Vue Axiale

Mpeg 651 KB

Comme prévu les instants de contact et les explosions n'ont pas pu être observés depuis la Terre car ils se sont produits quelques degrés derrière l'horizon de Jupiter, le Soleil se trouvant alors sous la ligne de visée de la Terre si on observe le plan en perspective comme expliqué ci-dessous. Il fallut donc attendre 11 minutes pour que la zone de l'impact A franchisse le limbe et 14 minutes plus tard elle sortait du terminateur.

Sur base des analyses effectués par Dan Bruton et ses collègues du département de Physique du Texas A&M, des travaux de Zdenek Sekanina à partir des images du Télescope Spatial Hubble, des observations millimétriques de E.Lellouch et ses collaborateurs du CNRS et des rapports de Boslough et al.[1], on peut conclure aujourd’hui que les fragments qui ont frappé Jupiter avaient une taille comprise entre 1 et 2 kilomètres de diamètre. Certains fragments sont apparus comme de véritables boules de feu au-dessus du limbe de Jupiter et ont laissé de larges cicatrices circulaires de couleur brune-pourpre sur la planète alors que d’autres débris n’ont laissé pratiquement aucune trace de leur impact. 

Au moins trois fragments ont disparu plusieurs mois avant d’atteindre Jupiter (H, M, et P1) mais cinq autres formèrent des zones d’impacts de la taille de la Terre. En fait, aucun fragment de la comète Shoemaker-Levy 9 ne fut identique aux autres.

Les impacts en perspective

A gauche vu de la Terre, au centre vu depuis Voyager 2 et à droite vu depuis la comète sous une inclinaison de quelque 15° degrés par rapport à l'axe de rotation autour du pôle Sud de Jupiter. La distance entre les fragments a été très raccourcie pour plus d'esthétique.

Documents David Seal/NASA JPL.

Ainsi qu’en témoignent les photographies prises par le télescope Hubble, deux fragments en particulier, baptisés "A" et "G", ont laissé des traces spectaculaires :

- Le fragment "A" frappa Jupiter le 16 juillet avec une énergie cinétique équivalent à environ 225 kT de TNT (par comparaison, la bombe d'Hiroshima libéra une énergie d'environ 15 kT de TNT). Il forma une plume qui s’étendit jusqu’à 960 km au-dessus de la couche nuageuse.

- Le fragment "G" frappa Jupiter le 18 juillet avec une énergie estimée à 6 millions de mégatonnes de TNT, ce qui correspond à environ 600 fois l’arsenal mondial ! La boule de feu qui en résulta s’éleva jusqu’à 3300 km au-dessus de la couche nuageuse et pu être observée dans des instruments d’amateur de 5 cm d’ouverture tellement son éclat fut intense.

L'impact G

Evolution de l'impact du fragment G entre le flash d'entrée du 18 juillet photographié en infrarouge et la fin de la séquence le 23 juillet 1994. Il est suivi de l'impact A. Noter la plume à gauche de la première image de la séquence de droite et son agrandissement au centre. Documents U.Hawaii/ H.Hammel/ MIT/ NASA HST.

Certains observateurs ont même détecté les collisions au radiotélescope mais contrairement à ce que l’on avait prédit il n’y eut aucun écho par réflexion sur les satellites de Jupiter.

Deuxième partie

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[1] Science, 267, 1995, p1277-1323 (dossier spécial) - D.Levy, “Impact Jupiter : The Crash of Comet Shoemaker-Levy 9”, Plenum Press, 1995 - Circulaire UAI N°6020, 15 juillet 1994 - C.Chapman, Nature, 370, 1994, p245 - R.West, ESO Messenger, September 1994 - J.Beatty et S.Goldman, “Sky & Telescope”, Oct.1994, p18 - S. O'Meara, “Sky & Telescope, Nov.1994, p30 - D.Eicher, Astronomy, Oct.1994, p40 - R.Burnham, Astronomy, Nov.1994, p34 - D.Eicher, Astronomy, Dec.1994, p70 - P.Weissman, Nature, 372, 1994, p404 - E.Lellouch et al., Nature, 372, 1994, p592.


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