Uranus Science: W jaki sposób gigantyczna planeta lodowa skończyła się na swojej stronie?

Uran jest prawdopodobnie najbardziej tajemniczą planetą w Układzie Słonecznym - wiemy o nim bardzo niewiele. Do tej pory odwiedziliśmy planetę tylko raz, z sondą kosmiczną Voyager 2 w 1986 roku. Najbardziej oczywistą dziwną rzeczą w tym lodowym olbrzymie jest fakt, że wiruje on na boku.

W przeciwieństwie do wszystkich innych planet, które wirują z grubsza „wyprostowane” z osiami spinów zbliżonymi do prostopadłych do ich orbit wokół Słońca, Uran jest nachylony pod kątem prawie prostym. Latem biegun północny wskazuje więc niemal bezpośrednio na słońce. W przeciwieństwie do Saturna, Jowisza i Neptuna, które mają poziome zestawy pierścieni wokół nich, Uran ma pionowe pierścienie i księżyce, które krążą wokół jego nachylonego równika.

Zobacz także: Uranus jest dosłownie fabryką pierdnięć - i to by cię całkowicie zabiło

Lodowy olbrzym ma również zaskakująco niską temperaturę oraz brudne i poza centrum pole magnetyczne, w przeciwieństwie do zgrabnego kształtu pręta-magnesu większości innych planet, takich jak Ziemia czy Jowisz. Dlatego naukowcy podejrzewają, że Uran był kiedyś podobny do innych planet Układu Słonecznego, ale nagle został obrócony. Więc co się stało? Nasze nowe badania, opublikowane w Astrophysical Journal i przedstawiony na spotkaniu Amerykańskiej Unii Geofizycznej, daje wskazówkę.

Kataklizmyczna kolizja

Nasz układ słoneczny był znacznie bardziej agresywnym miejscem, gdzie protoplanety (ciała rozwijające się, by stać się planetami) zderzały się w gwałtownych gigantycznych uderzeniach, które pomagały tworzyć światy, które widzimy dzisiaj. Większość badaczy uważa, że ​​spin Urana jest konsekwencją dramatycznej kolizji. Postanowiliśmy odkryć, jak mogło się to wydarzyć.

Chcieliśmy zbadać gigantyczne oddziaływania na Uran, aby zobaczyć, w jaki sposób taka kolizja mogła wpłynąć na ewolucję planety. Niestety, nie możemy (jeszcze) zbudować dwóch planet w laboratorium i rozbić ich razem, aby zobaczyć, co naprawdę się dzieje. Zamiast tego uruchomiliśmy modele komputerowe symulujące zdarzenia, wykorzystując potężny superkomputer jako kolejną najlepszą rzecz.

Podstawową ideą było modelowanie zderzających się planet z milionami cząstek w komputerze, z których każdy reprezentuje bryłę materiału planetarnego. Dajemy symulacji równania, które opisują, jak działa fizyka, jak grawitacja i ciśnienie materiału, aby obliczyć, jak cząstki ewoluują w czasie, gdy zderzają się ze sobą. W ten sposób możemy badać nawet fantastycznie skomplikowane i niechlujne wyniki olbrzymiego uderzenia. Kolejną zaletą korzystania z symulacji komputerowych jest to, że mamy pełną kontrolę. Możemy przetestować wiele różnych scenariuszy wpływu i zbadać zakres możliwych wyników.

Nasze symulacje (patrz wyżej) pokazują, że ciało co najmniej dwa razy tak masywne jak Ziemia może łatwo wytworzyć dziwny wir, jaki ma dziś Uran, uderzając i łącząc się z młodą planetą. W przypadku większej liczby zderzeń z wypasem materiał uderzającego ciała prawdopodobnie rozłożyłby się w cienkiej, gorącej powłoce w pobliżu krawędzi lodowej warstwy Urana, pod atmosferą wodoru i helu.

Może to hamować mieszanie się materiału wewnątrz Urana, zatrzymując ciepło z jego formacji głęboko w środku. Ekscytująco ta idea wydaje się pasować do obserwacji, że zewnętrzna powierzchnia Urana jest dzisiaj tak zimna. Ewolucja termiczna jest bardzo skomplikowana, ale przynajmniej jasne jest, jak olbrzymi wpływ może przekształcić planetę zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz.

Super obliczenia

Badania są również ekscytujące z perspektywy obliczeniowej. Podobnie jak rozmiar teleskopu, liczba cząstek w symulacji ogranicza to, co możemy rozwiązać i zbadać. Jednak po prostu próba użycia większej liczby cząstek w celu umożliwienia nowych odkryć jest poważnym wyzwaniem obliczeniowym, co oznacza, że ​​zajmuje dużo czasu, nawet na potężnym komputerze.

Nasze najnowsze symulacje wykorzystują ponad 100 m cząstek, około 100-1000 razy więcej niż większość innych obecnie używanych badań. Oprócz robienia niesamowitych zdjęć i animacji, jak doszło do olbrzymiego uderzenia, otwiera to wszystkie nowe pytania naukowe, z którymi możemy się teraz zmierzyć.

To ulepszenie jest możliwe dzięki SWIFT, nowemu kodowi symulacyjnemu, który zaprojektowaliśmy, aby w pełni wykorzystać współczesne „superkomputery”. Są to w zasadzie wiele zwykłych komputerów połączonych razem. Tak więc przeprowadzenie dużej symulacji szybko polega na podzieleniu obliczeń między wszystkie części superkomputera.

SWIFT szacuje, jak długo potrwa każde zadanie obliczeniowe w symulacji i stara się starannie dzielić pracę równomiernie dla maksymalnej wydajności. Podobnie jak duży nowy teleskop, skok do 1000 razy wyższej rozdzielczości ujawnia szczegóły, których nigdy wcześniej nie widzieliśmy.

Egzoplanety i dalej

Oprócz lepszego poznania specyficznej historii Urana, inną ważną motywacją jest bardziej ogólne zrozumienie formowania się planet. W ostatnich latach odkryliśmy, że najpowszechniejszy rodzaj egzoplanet (planet krążących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce) jest dość podobny do Urana i Neptuna. Zatem wszystko, czego uczymy się na temat możliwej ewolucji naszych własnych gigantów lodowych, wpływa na nasze zrozumienie ich dalekich kuzynów i ewolucji światów potencjalnie nadających się do zamieszkania.

Jednym z ekscytujących szczegółów, który zbadaliśmy, jest bardzo istotny dla kwestii życia pozaziemskiego, jest los atmosfery po olbrzymim uderzeniu. Nasze symulacje o wysokiej rozdzielczości ujawniają, że część atmosfery, która przetrwa początkowe zderzenie, może zostać usunięta przez późniejsze gwałtowne wybrzuszenia planety. Brak atmosfery sprawia, że ​​planeta jest znacznie mniej podatna na życie. Z drugiej strony, być może ogromny wkład energii i dodatkowy materiał mogą pomóc w stworzeniu przydatnych substancji chemicznych na całe życie. Skalisty materiał z rdzenia uderzającego ciała może również zostać wmieszany w zewnętrzną atmosferę. Oznacza to, że możemy szukać pewnych pierwiastków śladowych, które mogą być wskaźnikami podobnych wpływów, jeśli obserwujemy je w atmosferze egzoplanety.

Pozostaje wiele pytań na temat Urana i olbrzymich wpływów w ogóle. Mimo że nasze symulacje stają się coraz bardziej szczegółowe, wciąż musimy się wiele nauczyć. Wielu ludzi wzywa zatem nową misję dla Urana i Neptuna, aby zbadali ich dziwne pola magnetyczne, dziwaczne rodziny księżyców i pierścieni, a nawet po prostu to, z czego właściwie są zrobione.

Bardzo chciałbym to zobaczyć. Połączenie obserwacji, modeli teoretycznych i symulacji komputerowych ostatecznie pomoże nam zrozumieć nie tylko Urana, ale także niezliczone planety, które wypełniają nasz wszechświat i jak się pojawiły.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Rozmowie Jacoba Kegerreisa. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.