Uranus Science: Hvordan blev den gigantiske isplan ender på sin side?

Uranus er uden tvivl den mest mystiske planet i solsystemet - vi ved meget lidt om det. Hidtil har vi kun besøgt planeten én gang med Voyager 2 rumfartøjet tilbage i 1986. Den mest oplagte ulige ting om denne isjigant er, at det drejer sig om sin side.

I modsætning til alle de andre planeter, som roterer omtrent "oprejst" med deres spindelakse tæt på rette vinkler til deres kredsløb omkring solen, er Uranus vippet med næsten en ret vinkel. Så i sommeren peger nordpolen næsten direkte mod solen. Og i modsætning til Saturn, Jupiter og Neptun, som har vandrette sæt ringe omkring dem, har Uranus lodrette ringe og måner, der kredser om sin krumte ækvator.

Se også: Uranus er bogstaveligt talt en fartfabrik - og det ville helt sikkert dræbe dig

Isgiganten har også en overraskende kold temperatur og et rodet og off-center magnetfelt, i modsætning til den fine bar-magnet form af de fleste andre planeter som Jorden eller Jupiter. Forskere har derfor mistanke om, at Uranus engang lignede de andre planeter i solsystemet, men blev pludselig vendt om. Hvad skete der? Vores nye forskning, offentliggjort i Astrophysical Journal og præsenteret på et møde i den amerikanske geofysiske union, giver en anelse.

Cataclysmic Collision

Vores solsystem plejede at være et meget voldsomt sted med protoplaneter (organer, der udvikler sig til at blive planeter), der kolliderer i voldelige gigantiske virkninger, der hjalp med at skabe de verdener vi ser i dag. De fleste forskere mener, at Uranus 'spin er konsekvensen af ​​en dramatisk kollision. Vi satte op for at afdække, hvordan det kunne være sket.

Vi ønskede at studere kæmpe virkninger på Uranus for at se præcis, hvordan en sådan kollision kunne have påvirket planetens udvikling. Desværre kan vi ikke (endnu) bygge to planeter i et laboratorium og smadre dem sammen for at se, hvad der virkelig sker. I stedet kørte vi computermodeller, der simulerede begivenhederne ved hjælp af en kraftig supercomputer som den næstbedste ting.

Grundidéen var at modellere de kolliderende planeter med millioner af partikler i computeren, der hver repræsenterer en klump planetarisk materiale. Vi giver simuleringen de ligninger, der beskriver, hvordan fysik som tyngdekraften og materialetrykket virker, så det kan beregne, hvordan partiklerne udvikler sig med tiden, da de styrter ind i hinanden. På denne måde kan vi studere selv de meget komplicerede og rodet resultater af en kæmpe virkning. En anden fordel ved at bruge computersimuleringer er, at vi har fuld kontrol. Vi kan teste et bredt udvalg af forskellige konsekvensscenarier og udforske omfanget af mulige resultater.

Vores simuleringer (se ovenfor) viser, at en krop, der er mindst dobbelt så massiv som jorden, let kunne skabe det underlige spin Uranus har i dag ved at smække ind i og slå sammen med en ung planet. For mere græsningskollisioner vil den påvirke krops materiale sandsynligvis ende op i en tynd, varm skal nær kanten af ​​Uranus 'islag under hydrogen- og heliumatmosfæren.

Dette kunne hæmme blandingen af ​​materiale inde i Uranus og fange varmen fra dens dannelse dybt inde. Spændende synes denne ide at passe med den observation, at Uranus 'ydre er så koldt i dag. Termisk udvikling er meget kompliceret, men det er i det mindste klart, hvordan en kæmpe effekt kan omforme en planet både ind og ud.

Super Computations

Forskningen er også spændende ud fra et beregningsmæssigt perspektiv. Ligesom størrelsen af ​​et teleskop begrænser antallet af partikler i en simulering, hvad vi kan løse og studere. Det er dog en alvorlig beregningsudfordring, der simpelthen forsøger at bruge flere partikler til at muliggøre nye opdagelser, hvilket betyder, at det tager lang tid selv på en stærk computer.

Vores nyeste simuleringer bruger over 100m partikler, cirka 100-1.000 gange mere end de fleste andre undersøgelser i dag bruger. Udover at skabe nogle fantastiske billeder og animationer af, hvordan den enorme virkning er sket, åbner dette op for alle slags nye videnskabsspørgsmål, vi nu kan begynde at tackle.

Denne forbedring er takket være SWIFT, en ny simulationskode, som vi har udformet til at udnytte de moderne "supercomputere" fuldt ud. Disse er stort set masser af normale computere forbundet sammen. Så kører en stor simulering hurtigt på at opdele beregningerne mellem alle dele af supercomputeren.

SWIFT estimerer, hvor lang tid hver beregningsopgave i simuleringen vil tage, og forsøger at dele arbejdet omhyggeligt for at opnå maksimal effektivitet. Ligesom et stort nyt teleskop viser dette spring til 1000 gange højere opløsning detaljer, som vi aldrig har set før.

Exoplanets og Beyond

Udover at lære mere om Uranus 'specifikke historie, er en anden vigtig motivation forståelse af planetdannelsen mere generelt. I de senere år har vi opdaget, at den mest almindelige type eksoplaneter (planeter, der kredser om stjerner end vores sol), ligner Uranus og Neptun. Så alt hvad vi lærer om den mulige udvikling af vores egne isgiganter, føder til vores forståelse for deres fjerntliggende fætre og udviklingen af ​​potentielt beboelige verdener.

En spændende detalje, vi studerede, der er meget relevant for spørgsmålet om udenjordisk liv, er skæbnen i en atmosfære efter en kæmpe virkning. Vores simuleringer med høj opløsning afslører, at en del af atmosfæren, der overlever den oprindelige kollision, stadig kan fjernes ved den efterfølgende voldsomme udbulning af planeten. Manglen på en atmosfære gør en planet meget mindre tilbøjelig til at være vært for livet. Så igen, måske kan den massive energitilførsel og tilsat materiale hjælpe med at skabe nyttige kemikalier til livet også. Stenagtigt materiale fra den kolliderende krops kerne kan også blandes ind i den ydre atmosfære. Det betyder, at vi kan lede efter bestemte sporstoffer, som kan være indikatorer for lignende konsekvenser, hvis vi observerer dem i en exoplanet atmosfære.

Masser af spørgsmål forbliver om Uranus og gigantiske virkninger generelt. Selv om vores simuleringer bliver mere detaljerede, har vi stadig meget at lære. Mange opfordrer derfor til en ny mission til Uranus og Neptun til at studere deres underlige magnetfelter, deres udsmykkede familier med måner og ringe, og endda simpelthen hvad netop de rent faktisk er lavet af.

Jeg vil meget gerne se det ske. Kombinationen af ​​observationer, teoretiske modeller og computersimuleringer vil i sidste ende hjælpe os med at forstå ikke kun Uranus, men de utallige planeter, der fylder vores univers og hvordan de kom til at være.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Jacob Kegerreis. Læs den oprindelige artikel her.