Uranus Science: Hvordan kom den gigantiske isplanen på sin side?

Uranus er uten tvil den mest mystiske planeten i solsystemet - vi vet veldig lite om det. Hittil har vi bare besøkt planeten en gang, med Voyager 2-romskipet i 1986. Den mest åpenbare merkelige tingen om denne isgiganten er at den spinner på sin side.

I motsetning til alle de andre planetene, som roterer omtrent "oppreist" med spinnaksene i nær rette vinkler rundt sine baner rundt solen, er Uranus vippet med nesten en rett vinkel. På sommeren peker nordpolen nesten direkte mot solen. Og i motsetning til Saturn, Jupiter og Neptun, som har horisontale sett med ringer rundt dem, har Uranus vertikale ringer og måner som bane rundt sin skråstilt ekvator.

Se også: Uranus er bokstavelig talt en fartfabrikk - og det ville absolutt drepe deg

Isen giganten har også en overraskende kald temperatur og et rotete og off-center magnetfelt, i motsetning til den fine bar-magnet form av de fleste andre planeter som Earth eller Jupiter. Forskerne mistenker derfor at Uranus en gang lignet de andre planetene i solsystemet, men ble plutselig vendt over. Så hva skjedde? Vår nye forskning, publisert i Astrofysisk Journal og presenteres på et møte i den amerikanske geofysiske unionen, gir en anelse.

Cataclysmic Collision

Vårt solsystem var en mye voldeligere plass, med protoplaneter (organer som utviklet seg til å bli planeter) som kolliderte i voldelige gigantiske virkninger som bidro til å skape verdens verden vi ser i dag. De fleste forskerne mener at Uranus 'spin er konsekvensen av en dramatisk kollisjon. Vi satte ut for å avdekke hvordan det kunne ha skjedd.

Vi ønsket å studere gigantiske virkninger på Uranus for å se nøyaktig hvordan en slik kollisjon kunne ha påvirket planetens utvikling. Dessverre kan vi ikke (ennå) bygge to planeter i et laboratorium og knuse dem sammen for å se hva som virkelig skjer. I stedet kjørte vi datamodeller som simulerte hendelsene ved hjelp av en kraftig supercomputer som den nest beste.

Den grunnleggende ideen var å modellere kolliderende planeter med millioner av partikler i datamaskinen, hver som representerer en klump av planetmateriale. Vi gir simuleringen ligningene som beskriver hvordan fysikk som tyngdekraften og materialetrykket virker, slik at det kan beregne hvordan partiklene utvikler seg med tiden som de krasjer i hverandre. På denne måten kan vi studere selv de utrolig kompliserte og rotete resultatene av en gigantisk innvirkning. En annen fordel ved å bruke datasimuleringer er at vi har full kontroll. Vi kan teste et bredt spekter av ulike konsekvenser og utforske omfanget av mulige utfall.

Våre simuleringer (se ovenfor) viser at en kropp som er minst dobbelt så stor som Jorden lett kunne skape den merkelige spinnet Uranus har i dag ved å smelte inn i og fusjonere med en ung planet. For mer beite kollisjoner, ville stoffet påvirkende sannsynligvis ende opp i et tynt, varmt skall nær kanten av Uranus 'islag, under hydrogen- og heliumatmosfæren.

Dette kan hemme blanding av materiale inne i Uranus, fange varmen fra formasjonen dypt inne. Spennende synes denne ideen å passe med observasjonen at Uranus 'eksteriør er så kaldt i dag. Termisk utvikling er svært komplisert, men det er i det minste klart hvordan en stor innvirkning kan omforme en planet både innvendig og utvendig.

Super Computations

Forskningen er også spennende fra et beregningsmessig perspektiv. På samme måte som størrelsen på et teleskop, begrenser antall partikler i en simulering hva vi kan løse og studere. Men bare å prøve å bruke flere partikler for å aktivere nye funn, er en alvorlig beregningsutfordring, noe som betyr at det tar lang tid selv på en kraftig datamaskin.

Våre siste simuleringer bruker over 100m partikler, omtrent 100-1000 ganger mer enn de fleste andre studier i dag bruker. I tillegg til å lage noen flotte bilder og animasjoner av hvordan den gigantiske effekten skjedde, åpner dette opp alle slags nye vitenskapsspørsmål vi nå kan begynne å takle.

Denne forbedringen er takket være SWIFT, en ny simuleringskode vi designet for å dra full nytte av moderne "supercomputers". Dette er i utgangspunktet mange normale datamaskiner koblet sammen. Så, kjører en stor simulering avhenger raskt av å dele opp beregningene mellom alle deler av superdatamaskinen.

SWIFT anslår hvor lenge hver beregningsoppgave i simuleringen vil ta, og forsøker å dele arbeidet nøye med jevnt for maksimal effektivitet. På samme måte som et stort nytt teleskop, viser dette hoppet til 1000 ganger høyere oppløsning detaljer vi aldri har sett før.

Exoplanets og Beyond

I tillegg til å lære mer om Uranus spesifikke historie, er en annen viktig motivasjon å forstå planetenes formasjon mer generelt. I de senere år har vi oppdaget at den vanligste typen eksoplaneter (planeter som kretser stjerner utover vår sol) er ganske lik Uranus og Neptun. Så alt vi lærer om den mulige utviklingen av våre egne isgiganter, gir oss forståelse for deres fjernt fetter og utviklingen av potensielt beboelige verdener.

En spennende detalj vi studerte som er svært relevant for spørsmålet om utenomjordisk liv, er skjebnen til en atmosfære etter en gigantisk innvirkning. Våre høyoppløselige simuleringer avslører at noen av atmosfæren som overlever den første kollisjonen, fortsatt kan fjernes ved den etterfølgende voldelige utbulingen av planeten. Mangelen på en atmosfære gjør en planet mye mindre sannsynlig å være vert for livet. Så igjen, kanskje massiv energiinngang og tilsatt materiale kan bidra til å skape nyttige kjemikalier for livet også. Stenaktig materiale fra kjernens kjerne kan også blandes inn i den ytre atmosfæren. Dette betyr at vi kan lete etter bestemte sporstoffer som kan være indikatorer for lignende effekter hvis vi observerer dem i en exoplanets atmosfære.

Mange spørsmål forblir om Uranus, og gigantiske virkninger generelt. Selv om våre simuleringer blir mer detaljerte, har vi fortsatt mye å lære. Mange krever derfor et nytt oppdrag til Uranus og Neptun for å studere sine merkelige magnetfelt, deres pittoreske familier med måner og ringer, og til og med bare hva nettopp de egentlig er laget av.

Jeg vil gjerne se det som skjer. Kombinasjonen av observasjoner, teoretiske modeller og datasimuleringer vil til slutt hjelpe oss med å forstå ikke bare Uranus, men de myriade planetene som fyller vårt univers og hvordan de kom til å være.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Jacob Kegerreis. Les den opprinnelige artikkelen her.