Știința Uranus: Cum sa terminat planeta uriașă de gheață?

Uranus este cu siguranță cea mai misterioasă planetă din sistemul solar - știm foarte puțin despre el. Până acum, am vizitat o singură dată planeta, cu nava spațială Voyager 2 în 1986. Cel mai evident lucru ciudat despre acest gigant de gheață este faptul că se topește pe partea sa.

Spre deosebire de toate celelalte planete, care se rotesc aproximativ "în poziție verticală" cu axele lor de rotație aproape de unghiuri drepte față de orbitele lor în jurul soarelui, Uranus este înclinat aproape cu un unghi drept. Astfel, în vara sa, polul nord indică aproape direct spre soare. Și spre deosebire de Saturn, Jupiter și Neptun, care au seturi orizontale de inele în jurul lor, Uranus are inele verticale și luni care orbitează în jurul ecuatorului înclinat.

Vezi deasemenea: Uranus este o fabrică literală de fart - și te va ucide cu adevărat

Gigantul de gheață are, de asemenea, o temperatură surprinzător de rece și un câmp magnetic dezordonat și în afara centrului, spre deosebire de forma magnetică îngustă a celorlalte planete, cum ar fi Pământul sau Jupiter. Oamenii de știință, prin urmare, bănuiesc că Uranus a fost odată similar cu celelalte planete ale sistemului solar, dar a fost brusc răsturnat. Deci ce s-a întâmplat? Noile noastre cercetări, publicate în Jurnalul astrofizic și prezentată la o întâlnire a Uniunii Geofizice Americane, oferă un indiciu.

Cataclismul Coliziune

Sistemul nostru solar era un loc mult mai violent, cu protoplante (corpuri care se dezvoltau pentru a deveni planete) care se ciocnise de impacturi gigantice violente care au ajutat la crearea lumilor pe care le vedem astazi. Majoritatea cercetătorilor consideră că centrifugarea Uranus este consecința unei coliziuni dramatice. Am început să descoperim cum s-ar fi putut întâmpla.

Am vrut să studiem impacturile uriașe asupra Uranusului pentru a vedea exact cum o astfel de coliziune ar fi putut afecta evoluția planetei. Din nefericire, nu putem (încă) construi două planete într-un laborator și să le distrugem împreună pentru a vedea ce se întâmplă cu adevărat. În schimb, am folosit modele computerizate care simulează evenimentele folosind un supercomputer puternic ca următorul lucru bun.

Ideea de bază a fost aceea de a modela planetele care se ciocnesc cu milioane de particule în calculator, fiecare reprezentând o bucată de material planetar. Oferim simulării ecuațiile care descriu modul în care fizica, cum ar fi gravitatea și presiunea materială, funcționează, astfel încât să poată calcula modul în care particulele evoluează odată cu trecerea timpului. În acest fel putem studia chiar și rezultatele fantastice complicate și dezordonate ale unui impact gigantic. Un alt avantaj al utilizării simulărilor pe calculator este că avem un control deplin. Putem testa o mare varietate de scenarii de impact diferite și vom explora gama de rezultate posibile.

Simulările noastre (a se vedea mai sus) arată că un corp de cel puțin două ori mai mare decât Pământul ar putea crea cu ușurință spinul ciudat pe care Uranus îl are astăzi prin împușcare și fuzionare cu o planetă tânără. Pentru mai multe ciocniri de pășunat, materialul corpului care se lovește va ajunge, probabil, răspândit într-o cochilie subțire, caldă, lângă marginea stratului de gheață al Uranusului, sub atmosfera de hidrogen și heliu.

Acest lucru ar putea împiedica amestecarea materialului în interiorul Uranusului, prinsând căldura formării sale adânc în interior. În mod incitant, această idee pare să se potrivească cu observația că exteriorul Uranus este atât de rece astăzi. Evoluția termică este foarte complicată, dar este puțin clar cum un impact gigantic poate remodela o planetă atât în ​​interior, cât și în exterior.

Computere super

Cercetarea este, de asemenea, interesantă dintr-o perspectivă computațională. La fel ca dimensiunea unui telescop, numărul de particule dintr-o simulare limitează ceea ce putem rezolva și studia. Totuși, încercarea de a folosi mai multe particule pentru a permite noi descoperiri este o provocare computațională serioasă, ceea ce înseamnă că durează mult timp chiar și pe un computer puternic.

Cele mai recente simulări utilizează particule de peste 100 m, aproximativ 100-1000 de ori mai multe decât cele folosite astăzi de celelalte studii. Pe lângă realizarea unor imagini și animații uimitoare despre impactul uriaș, acest lucru deschide tot felul de noi întrebări științifice pe care putem acum să le abordăm.

Această îmbunătățire este datorată SWIFT, un nou cod de simulare pe care l-am conceput pentru a profita din plin de "supercomputerele" contemporane. Acestea sunt, în esență, o mulțime de calculatoare normale conectate împreună. Deci, o simulare mare se bazează repede pe împărțirea calculelor între toate părțile supercomputerelor.

SWIFT estimează cât va dura fiecare activitate de calcul în simulare și va încerca să împartă cu atenție lucrul în mod egal pentru o eficiență maximă. La fel ca un telescop nou, acest salt la o rezoluție de 1.000 de ori mai mare dezvăluie detalii pe care nu le-am mai văzut până acum.

Exoplanetă și dincolo

Pe lângă învățarea mai multă despre istoria specifică a Uranusului, o altă motivație importantă este înțelegerea formării planetei în general. În ultimii ani, am descoperit că cel mai frecvent tip de exoplanetă (planete care orbitează alte stele decât soarele nostru) sunt destul de asemănătoare cu Uranus și Neptun. Tot ceea ce aflăm despre evoluția posibila a giganților noștri de gheață contribuie la înțelegerea verișilor lor îndepărtați și la evoluția unor lumi potențial locuibile.

Un detaliu interesant pe care l-am studiat, care este foarte relevant pentru chestiunea vieții extraterestre, este soarta unei atmosfere după un impact gigantic. Simulările noastre de rezoluție înaltă demonstrează că o parte din atmosfera care supraviețuiește coliziunii inițiale poate fi în continuare eliminată prin bombardarea violentă a planetei. Lipsa unei atmosfere face o planetă mult mai puțin probabil să găzduiască o viață. Apoi, din nou, poate că energia masivă de intrare și materialul adăugat ar putea ajuta la crearea de substanțe chimice utile pentru viață, de asemenea. De asemenea, materialul stancos de la miezul corpului de impact poate fi amestecat în atmosfera exterioară. Aceasta înseamnă că putem căuta anumite oligoelemente care ar putea fi indicatori ai unor efecte similare dacă le observăm într-o atmosferă a exoplanetului.

O mulțime de întrebări rămân despre Uranus, și impactul gigantic în general. Chiar dacă simulările noastre devin tot mai detaliate, avem încă multe de învățat. Mulți oameni solicită, prin urmare, o nouă misiune la Uranus și Neptun pentru a studia câmpurile lor magnetice ciudate, familiile lor ciudate de lună și inele și, pur și simplu, de la ce sunt de fapt făcute.

Aș vrea foarte mult să văd că se întâmplă asta. Combinația de observații, modele teoretice și simulări pe calculator ne va ajuta în cele din urmă să înțelegem nu numai Uranus, ci și nenumăratele planete care ne umple universul și cum au ajuns să fie.

Acest articol a fost publicat inițial în Conversația lui Jacob Kegerreis. Citiți articolul original aici.