Uranova znanost: Kako je velikanski ledeni planet končal na svoji strani?

Uran je verjetno najbolj skrivnostni planet v sončnem sistemu - o tem zelo malo vemo. Do sedaj smo planet enkrat obiskali z vesoljskim plovilom Voyager 2 že leta 1986. Najbolj očitna nenavadna stvar pri tem ledenem velikanu je dejstvo, da se vrti na svoji strani.

Za razliko od vseh drugih planetov, ki se vrtijo približno "pokončno" s svojimi rotirajočimi osmi pod pravimi koti glede na njihove orbite okrog sonca, je Uran nagnjen s skoraj pravim kotom. Torej v svojem poletju severni pol pokaže skoraj neposredno proti soncu. In za razliko od Saturna, Jupitra in Neptuna, ki imajo horizontalne nize obročev okoli njih, ima Uran navpične obroče in lune, ki krožijo okoli njegovega nagnjenega ekvatorja.

Glej tudi: Uran je dobesedno Fartova tovarna - in to bi vas popolnoma ubilo

Ledeni velikan ima tudi presenetljivo hladno temperaturo in grdo in izvenmagnetno magnetno polje, za razliko od čistega magnetnega polja večine drugih planetov, kot sta Zemlja ali Jupiter. Znanstveniki zato sumijo, da je bil Uran nekoč podoben drugim planetom v sončnem sistemu, vendar se je nenadoma prevrnil. Torej kaj se je zgodilo? Naša nova raziskava, objavljena v Astrofizični dnevnik in predstavljen na srečanju Ameriške geofizične unije, ponuja namig.

Kataklizmični trk

Naš sončni sistem je bil nekoč veliko bolj nasilen kraj, s protoplaneti (telesi, ki se razvijajo, da postanejo planeti), ki trčijo v nasilne močne vplive, ki so pomagali ustvariti svetove, ki jih vidimo danes. Večina raziskovalcev verjame, da je Uranovo vrtenje posledica dramatičnega trka. Odločili smo se, da bi odkrili, kako se je to lahko zgodilo.

Želeli smo preučiti ogromne vplive na Uran, da bi natančno videli, kako bi takšen trk lahko vplival na evolucijo planeta. Na žalost ne moremo (še) zgraditi dveh planetov v laboratoriju in ju razbiti skupaj, da bi videli, kaj se v resnici dogaja. Namesto tega smo vodili računalniške modele, ki so simulirali dogodke z uporabo močnega superračunalnika kot naslednje najboljše.

Osnovna ideja je bila, da se modelirajo trči planeta z milijoni delcev v računalniku, od katerih vsak predstavlja grozd planetarnega materiala. Simulaciji podajamo enačbe, ki opisujejo, kako delujejo fizika kot gravitacija in materialni pritisk, tako da lahko izračuna, kako se delci sčasoma razvijajo, ko se zrušijo drug v drugega. Na ta način lahko preučimo tudi fantastično zapletene in neurejene rezultate ogromnega vpliva. Druga prednost uporabe računalniških simulacij je, da imamo popoln nadzor. Lahko preizkusimo širok spekter različnih scenarijev vpliva in raziščemo vrsto možnih rezultatov.

Naše simulacije (glej zgoraj) kažejo, da telo, ki je vsaj dvakrat masivnejše od Zemlje, z lahkoto ustvari nenavaden spin, ki ga je Uran imel danes, ko se udarja in združuje z mladim planetom. Za več trkov na paši bi material, ki ga je prizadel, verjetno končal v tanki, vroči lupini blizu roba ledne plasti Urana, pod atmosfero vodika in helija.

To bi lahko oviralo mešanje materiala znotraj Urana in ujetje toplote iz njegove tvorbe globoko v notranjost. Zanimivo se zdi, da se ta ideja ujema z opažanjem, da je Uranova zunanjost danes tako hladna. Toplotna evolucija je zelo zapletena, vendar je vsaj jasno, kako velikanski vpliv lahko preoblikuje planet tako znotraj kot zunaj.

Super izračuni

Raziskava je zanimiva tudi z računskega vidika. Podobno kot velikost teleskopa, število delcev v simulaciji omejuje, kar lahko razrešimo in preučimo. Vendar pa je preprosto poskusiti uporabiti več delcev, da bi omogočili nova odkritja, resen računalniški izziv, kar pomeni, da traja dolgo časa tudi na močnem računalniku.

Naše najnovejše simulacije uporabljajo več kot 100m delcev, kar je približno 100-1000-krat več kot danes uporablja večina drugih študij. Poleg tega, da je ustvaril nekaj osupljivih slik in animacij o tem, kako se je zgodil velikanski učinek, to odpira vsa nova vprašanja o znanosti, ki jih zdaj lahko začnemo reševati.

To izboljšanje je zahvaljujoč novi simulacijski kodi SWIFT, ki smo jo oblikovali za popolno izkoriščanje sodobnih "superračunalnikov". To so v bistvu številni običajni računalniki, povezani skupaj. Torej izvajanje velike simulacije hitro temelji na delitvi izračunov med vsemi deli superračunalnika.

SWIFT ocenjuje, kako dolgo bo trajala vsaka računalniška naloga v simulaciji in poskuša skrbno deliti delo enakomerno za največjo učinkovitost. Tako kot velik nov teleskop, ta skok do 1000-krat višje ločljivosti razkriva podrobnosti, ki jih še nismo videli.

Exoplanets and Beyond

Poleg tega, da se naučite več o specifični zgodovini Urana, je še ena pomembna motivacija razumevanje formacije planeta na splošno. V zadnjih letih smo odkrili, da so najpogostejši tipi eksoplanet (planeti, ki krožijo okoli zvezd, ki niso naše sonce), precej podobni Uranu in Neptunu. Torej se vse, kar se naučimo o možni evoluciji naših ledenih velikanov, poda v naše razumevanje njihovih daleč bratrancev in evolucije potencialno bivalnih svetov.

Ena vznemirljiva podrobnost, ki smo jo preučili, je zelo pomembna za vprašanje zunajzemeljskega življenja, je usoda atmosfere po velikanskem vplivu. Naše simulacije visoke ločljivosti razkrivajo, da je nekaj atmosfere, ki preživi prvotni trk, še vedno mogoče odstraniti s posledičnim nasilnim izbočenjem planeta. Pomanjkanje atmosfere naredi planet veliko manj verjetno, da bo gostil življenje. Potem pa bi lahko masivni vnos energije in dodani material pripomogli k ustvarjanju koristnih kemikalij tudi za življenje. V zunanjo atmosfero se lahko zmeša tudi kamninski material iz jedra udarnega telesa. To pomeni, da lahko iščemo določene elemente v sledovih, ki bi lahko bili kazalci podobnih učinkov, če jih opazujemo v atmosferi eksoplaneta.

O vprašanju Urana ostaja veliko vprašanj in na splošno velikanski vplivi. Čeprav so naše simulacije bolj podrobne, se moramo še veliko naučiti. Mnogi ljudje zato pozivajo k novemu poslanstvu na Uran in Neptun, da preučita svoja nenavadna magnetna polja, njihove domiselne družine mesecev in obročev, in celo preprosto iz česa so dejansko izdelani.

Zelo bi rad videl, da se to zgodi. Kombinacija opazovanj, teoretičnih modelov in računalniških simulacij nam bo na koncu pomagala razumeti ne samo Uran, ampak tudi nešteto planetov, ki zapolnjujejo naše vesolje in kako so postali.

Ta članek je bil prvotno objavljen na The Conversation, ki ga je napisal Jacob Kegerreis. Preberite izvirni članek tukaj.