Uranus Science: Ako skončila obrie ľadová planéta na svojej strane?

Urán je pravdepodobne najzáhadnejšia planéta v slnečnej sústave - o tom vieme veľmi málo. Zatiaľ sme planétu navštívili len raz, s kozmickou loďou Voyager 2 v roku 1986. Najzrejmejšou zvláštnou vecou na tomto ľadovom obri je skutočnosť, že sa točí na jeho strane.

Na rozdiel od všetkých ostatných planét, ktoré sa otáčajú zhruba „vzpriamene“ so svojimi rotačnými osami v blízkosti pravých uhlov k ich dráhám okolo Slnka, je Uran naklonený takmer o pravý uhol. Takže v lete severný pól smeruje takmer priamo k Slnku. Na rozdiel od Saturna, Jupitera a Neptúna, ktoré majú okolo seba horizontálne krúžky, má Uran vertikálne krúžky a mesiace, ktoré obiehajú okolo jeho nakloneného rovníka.

Pozri tiež: Uran je doslova prd továreň - a to by absolútne zabiť

Ľadový gigant má tiež prekvapivo nízku teplotu a chaotický a off-center magnetické pole, na rozdiel od čistého tvaru bar-magnet väčšiny ostatných planét ako Zem alebo Jupiter. Vedci sa preto domnievajú, že Urán bol kedysi podobný s inými planétami v slnečnej sústave, ale zrazu bol prevrátený. Takže, čo sa stalo? Náš nový výskum, publikovaný v Astrophysical Journal a prezentované na stretnutí Americkej geofyzikálnej únie, ponúka vodítko.

Kataklyzmatická kolízia

Naša slnečná sústava bola omnoho násilnejším miestom, kde sa protoplanety (telá, ktoré sa stali planétami) zrazili v násilných obrovských vplyvoch, ktoré pomohli vytvoriť svet, ktorý dnes vidíme. Väčšina výskumníkov sa domnieva, že rotácia Uranu je dôsledkom dramatickej kolízie. Vydali sme sa odhaliť, ako sa to mohlo stať.

Chceli sme študovať obrovské dopady na Urán, aby sme presne videli, ako by takáto kolízia mohla ovplyvniť vývoj planéty. Bohužiaľ, v laboratóriu (zatiaľ) nemôžeme postaviť dve planéty a spoločne ich rozbiť, aby sme videli, čo sa skutočne deje. Namiesto toho sme spustili počítačové modely simulujúce udalosti pomocou výkonného superpočítača ako ďalšiu najlepšiu vec.

Základnou myšlienkou bolo modelovanie kolidujúcich planét s miliónmi častíc v počítači, z ktorých každý predstavuje kus planétového materiálu. Dáme simulácii rovnice, ktoré opisujú, ako fyzika ako gravitácia a materiálny tlak práce, tak to môže vypočítať, ako sa častice vyvíjajú s časom, keď narazia do seba. Týmto spôsobom môžeme študovať aj fantasticky komplikované a chaotické výsledky obrovského dopadu. Ďalšou výhodou používania počítačových simulácií je, že máme plnú kontrolu. Môžeme otestovať širokú škálu rôznych scenárov vplyvu a preskúmať rozsah možných výsledkov.

Naše simulácie (pozri vyššie) ukazujú, že telo aspoň dvakrát tak mohutné ako Zem by mohlo ľahko vytvoriť podivný spin Uranu, ktorý dnes narazil do mladej planéty. Pre viac pasúcich sa zrážok by sa materiál dopadajúceho tela pravdepodobne rozprestieral v tenkej, horúcej vrstve pri okraji ľadovej vrstvy Uranu pod atmosférou vodíka a hélia.

To by mohlo brániť miešaniu materiálu v Uráne, čo by uviazlo teplo od jeho vzniku hlboko vo vnútri. Zdá sa, že táto myšlienka zapadá do pozorovania, že exteriér Uranu je dnes tak chladný. Tepelná evolúcia je veľmi komplikovaná, ale je prinajmenšom jasné, ako môže obrovský vplyv zmeniť planétu vo vnútri aj vonku.

Super výpočty

Výskum je tiež vzrušujúci z počítačového hľadiska. Rovnako ako veľkosť teleskopu, aj počet častíc v simulácii obmedzuje to, čo môžeme vyriešiť a študovať. Jednoduchý pokus o použitie väčšieho množstva častíc, ktoré by umožnili nové objavy, je však vážnou výpočtovou výzvou, čo znamená, že aj na výkonnom počítači trvá dlhý čas.

Naše najnovšie simulácie používajú viac ako 100 m častice, asi 100-1000 krát viac ako väčšina iných štúdií dnes používajú. Okrem toho, že to robí pre niektoré úžasné obrázky a animácie o tom, ako sa tento obrovský vplyv stal, otvára to všetky druhy nových vedeckých otázok, ktoré teraz môžeme začať riešiť.

Toto zlepšenie je vďaka SWIFT, novému simulačnému kódu, ktorý sme navrhli tak, aby sme plne využívali výhody súčasných „superpočítačov“. Ide v podstate o veľa bežných počítačov, ktoré sú prepojené. Spustenie veľkej simulácie sa teda rýchlo spolieha na rozdelenie výpočtov medzi všetkými časťami superpočítača.

SWIFT odhaduje, ako dlho bude každá výpočtová úloha v simulácii trvať a snaží sa o rovnomerné zdieľanie práce pre maximálnu efektivitu. Rovnako ako veľký nový ďalekohľad, aj tento skok na 1 000-násobne vyššie rozlíšenie odhaľuje detaily, ktoré sme ešte nikdy nevideli.

Exoplanets a Beyond

Okrem toho, že sa učíme viac o špecifickej histórii Uránu, ďalšou dôležitou motiváciou je všeobecnejšie chápanie formovania planéty. V posledných rokoch sme zistili, že najbežnejší typ exoplanet (planét, ktoré obiehajú hviezdy iné ako naše slnko) je celkom podobný Uranu a Neptúnu. Takže všetko, čo sa dozvieme o možnom vývoji našich vlastných ľadových gigantov, sa živí v našom chápaní ich vzdialených bratrancov a vývoja potenciálne obývateľných svetov.

Jeden zaujímavý detail, ktorý sme študovali a ktorý je veľmi dôležitý pre otázku mimozemského života, je osud atmosféry po obrovskom dopade. Naše simulácie s vysokým rozlíšením ukazujú, že časť atmosféry, ktorá prežije počiatočnú kolíziu, môže byť odstránená následným násilným vydutím planéty. Nedostatok atmosféry robí planétu oveľa menšou pravdepodobnosťou, že bude hostiteľom života. Potom, možno, masívny prívod energie a pridaný materiál môžu pomôcť vytvoriť užitočné chemikálie aj pre život. Skalný materiál z nárazového jadra tela sa môže tiež dostať do vonkajšej atmosféry. To znamená, že môžeme pozorovať určité stopové prvky, ktoré by mohli byť indikátormi podobných vplyvov, ak ich pozorujeme v atmosfére exoplanetu.

Veľa otázok zostáva o Uráne a obrie dopady všeobecne. Aj keď sú naše simulácie podrobnejšie, stále sa máme veľa čo učiť. Mnohí ľudia preto vyzývajú na novú misiu v Uráne a Neptúne, aby mohli študovať ich podivné magnetické polia, ich nepekné rodiny mesiacov a prstencov, a dokonca aj to, čo presne vlastne tvoria.

Veľmi rád by som to videl. Kombinácia pozorovaní, teoretických modelov a počítačových simulácií nám v konečnom dôsledku pomôže pochopiť nielen Urán, ale aj nespočetné planéty, ktoré naplnia náš vesmír a ako sa stali.

Tento článok bol pôvodne uverejnený na Konverzácii Jacoba Kegerreisa. Prečítajte si pôvodný článok.