Науката на Уран: Как гигантската ледена планета свърши на своята страна?

Уран е може би най-загадъчната планета в Слънчевата система - знаем много малко за него. Досега сме посещавали планетата само веднъж, с космическия кораб Voyager 2 през 1986 г. Най-очевидното странно нещо за този леден гигант е фактът, че се върти на своя страна.

За разлика от всички останали планети, които се въртят приблизително "изправени" със своите въртящи се оси в близост до орбитите си около слънцето, Уран е наклонен почти под прав ъгъл. И така, през лятото, северният полюс сочи почти директно към слънцето. И за разлика от Сатурн, Юпитер и Нептун, които имат хоризонтални групи от пръстени около тях, Уран има вертикални пръстени и луни, които обикалят около наклонения му екватор.

Виж също: Уран е буквално фарт фабрика - и то би абсолютно ви убие

Леденият гигант също има изненадващо студена температура и разхвърляно и извън центъра магнитно поле, за разлика от спретната форма на повечето други планети като Земята или Юпитер. Следователно учените подозират, че Уран някога е бил подобен на другите планети в Слънчевата система, но внезапно е преобърнат. И какво стана? Нашето ново изследване, публикувано в Астрофизичен вестник и представени на среща на Американския геофизичен съюз, предлага представа.

Катаклизъм

Нашата слънчева система е била много по-насилствено място, с протопланети (органи, които се развиват, за да станат планети), които се сблъскват с гигантски гигантски въздействия, които спомагат за създаването на светове, които виждаме днес. Повечето изследователи смятат, че въртенето на Уран е следствие от драматичен сблъсък. Тръгнахме да разкрием как е могло да се случи.

Искахме да изследваме гигантски въздействия върху Уран, за да видим как точно такъв сблъсък би могъл да повлияе на еволюцията на планетата. За съжаление не можем (все още) да построим две планети в лаборатория и да ги смачкаме заедно, за да видим какво наистина се случва. Вместо това проведохме компютърни модели, симулиращи събитията, използвайки мощен суперкомпютър като следващото най-добро нещо.

Основната идея беше да се моделират сблъскващите се планети с милиони частици в компютъра, всеки от които представлява купчина планетарен материал. Даваме на симулацията уравненията, които описват как работи физиката като гравитацията и материалното налягане, така че тя може да изчисли как се развиват частиците с времето, тъй като те се сблъскват един с друг. По този начин можем да изучаваме дори фантастично сложните и разхвърляни резултати от гигантското въздействие. Друга полза от използването на компютърни симулации е, че имаме пълен контрол. Можем да тестваме голямо разнообразие от различни сценарии на въздействие и да изследваме диапазона от възможни резултати.

Нашите симулации (виж по-горе) показват, че тяло, поне два пъти по-масивно от Земята, би могло лесно да създаде странния спин, който Уран има днес, като се блъска в млада планета и се слива с нея. За повече сблъсъци на паша материалът на въздействащото тяло вероятно ще се разпръсне в тънка, гореща черупка близо до ръба на ледения слой на Уран, под водородна и хелиева атмосфера.

Това може да попречи на смесването на материал в Уран, улавяйки топлината от неговата формация дълбоко вътре. Вълнуващо, тази идея сякаш се вписва в наблюдението, че външността на Уран днес е толкова студена. Термичната еволюция е много сложна, но поне е ясно как едно огромно въздействие може да промени планетата както отвътре, така и отвън.

Супер изчисления

Изследването е вълнуващо и от изчислителна гледна точка. Подобно на размера на телескопа, броят на частиците в симулация ограничава това, което можем да разрешим и проучим. Обаче, просто се опитваш да използваш повече частици, за да дадеш възможност за нови открития, е сериозно изчислително предизвикателство, което означава, че отнема много време дори и на мощен компютър.

Нашите най-нови симулации използват над 100m частици, около 100-1000 пъти повече, отколкото повечето други изследвания днес. Освен че създава зашеметяващи картини и анимации за това как се е случило гигантското влияние, това отваря всякакви нови въпроси за науката, които можем да започнем сега.

Това подобрение е благодарение на SWIFT, нов симулационен код, който ние създадохме, за да се възползваме максимално от съвременните „суперкомпютри“. Това са много обикновени компютри, свързани заедно. Така че, провеждането на голяма симулация бързо разчита на разделянето на изчисленията между всички части на суперкомпютъра.

SWIFT изчислява колко време ще отнеме всяка компютърна задача в симулацията и се опитва внимателно да сподели работата за максимална ефективност. Точно като голям нов телескоп, този скок до 1000 пъти по-висока разделителна способност разкрива подробности, които никога преди не сме виждали.

Екзопланети и отвъд

Както и да научат повече за специфичната история на Уран, друга важна мотивация е разбирането на планетарната формация по-общо. През последните години открихме, че най-често срещаният вид екзопланети (планети, които обикалят около звездите, различни от нашето слънце), са доста подобни на Уран и Нептун. Така че всичко, което научаваме за възможната еволюция на нашите собствени ледени гиганти, се влива в нашето разбиране за далечните им братовчеди и еволюцията на потенциално обитаеми светове.

Една вълнуваща подробност, която проучихме, която е много важна за въпроса за извънземния живот, е съдбата на атмосфера след огромно въздействие. Нашите симулации с висока резолюция разкриват, че част от атмосферата, която оцелява при първоначалния сблъсък, може да бъде премахната от последващото насилие на планетата. Липсата на атмосфера прави планетата много по-малко вероятно да бъде домакин на живот. От друга страна, може би масовата енергия и добавеният материал могат да помогнат за създаването на полезни химикали за живота. Скалистият материал от сърцевината на ударното тяло може също да се смеси във външната атмосфера. Това означава, че можем да търсим определени микроелементи, които биха могли да бъдат индикатори за подобни въздействия, ако ги наблюдаваме в атмосферата на екзопланетата.

Много въпроси остават за Уран и гигантски въздействия като цяло. Въпреки че нашите симулации стават все по-подробни, ние все още имаме какво да научим. Затова много хора призовават за нова мисия към Уран и Нептун, за да изучават странните си магнитни полета, техните странни семейства на луни и пръстени, и дори просто какво точно са направени.

Много бих искал да видя това. Комбинацията от наблюдения, теоретични модели и компютърни симулации в крайна сметка ще ни помогне да разберем не само Уран, но и безбройните планети, които изпълват нашата вселена и как са те.

Тази статия първоначално е била публикувана на The Conversation by Jacob Kegerreis. Прочетете оригиналната статия тук.