Наука Урана: Як гігантська планета льоду опинилася на її боці?

Уран - це, мабуть, сама таємнича планета Сонячної системи, про яку ми знаємо дуже мало. Поки що ми тільки один раз відвідали планету з космічним апаратом Voyager 2 ще в 1986 році. Найбільш очевидною річ щодо цього льодового гіганта є те, що він обертається на своїй стороні.

На відміну від всіх інших планет, які обертаються приблизно "прямо" зі своїми спінами, розташованими близько до прямих кутів до орбіт навколо Сонця, Уран нахилений майже під прямим кутом. Таким чином, в літній час північний полюс вказує майже прямо на сонце. І на відміну від Сатурна, Юпітера і Нептуна, які мають горизонтальні набори кільця навколо них, Уран має вертикальні кільця і ​​супутники, що обертаються навколо його нахиленого екватора.

Дивіться також: Уран буквально фарт фабрика - і це було б абсолютно вас вбити

Льодовий гігант також має дивовижно холодну температуру і брудне і нецентрове магнітне поле, на відміну від акуратної форми магнітного бару більшості інших планет, таких як Земля або Юпітер. Вчені, таким чином, підозрюють, що Уран колись був схожий на інші планети Сонячної системи, але раптом перевернувся. Так що трапилося? Наше нове дослідження, опубліковане в Астрофізичний журнал і представлений на засіданні Американського геофізичного союзу, пропонує підказку.

Катастрофічні зіткнення

Раніше наша сонячна система була набагато більш жорстоким місцем, з протопланетами (тілами, що розвиваються, щоб стати планетами), що зіштовхуються з сильними гігантськими впливами, які допомогли створити світи, які ми бачимо сьогодні. Більшість дослідників вважає, що спіна Урана є наслідком різкого зіткнення. Ми вирішили розкрити, як це могло статися.

Ми хотіли вивчити гігантські впливи на Уран, щоб побачити, як саме таке зіткнення могло вплинути на еволюцію планети. На жаль, ми не можемо (ще) побудувати дві планети в лабораторії і розбити їх разом, щоб побачити, що насправді відбувається. Замість цього ми запустили комп'ютерні моделі, що імітують події, використовуючи потужний суперкомп'ютер як наступну кращу річ.

Основна ідея полягала в моделюванні зіткнення планет з мільйонами частинок в комп'ютері, кожен з яких представляв собою групу планетарного матеріалу. Ми даємо моделювання рівняння, які описують, як працює фізика, як гравітація і матеріальний тиск, тому вона може обчислити, як частинки еволюціонують з часом, коли вони врізаються один в одного. Таким чином, ми можемо вивчати навіть фантастично складні та брудні результати гігантського впливу. Ще однією перевагою використання комп'ютерного моделювання є те, що ми маємо повний контроль. Ми можемо перевірити широкий спектр різних сценаріїв впливу та дослідити діапазон можливих результатів.

Наші симуляції (див. Вище) показують, що тіло, щонайменше в два рази більше масиву, ніж Земля, може легко створити дивний спін, який Уран сьогодні має, вбиваючись і зливаючись з молодою планетою. Для більшого зіткнення пасучого матеріалу матеріал, що впливає, напевно, потрапив би до тонкої, гарячої оболонки біля краю шару льоду Урана, під атмосферою водню та гелію.

Це може перешкоджати змішуванню матеріалу всередині Урана, захоплюючи тепло від його утворення глибоко всередині. Цікаво, що ця ідея, здається, вписується в спостереження, що зовнішній вигляд Урана сьогодні настільки холодний. Термічна еволюція дуже складна, але принаймні зрозуміло, як гігантський вплив може змінити планету як всередині, так і зовні.

Супер обчислення

Дослідження також цікаво з точки зору обчислень. Як і розмір телескопа, кількість частинок в моделюванні обмежує те, що ми можемо вирішити і вивчити. Проте, просто намагатися використати більше частинок для нових відкриттів є серйозним викликом для обчислювальної роботи, а це значить, що він займає багато часу навіть на потужному комп'ютері.

Наші останні моделювання використовують більше 100 м частинок, приблизно 100-1000 разів більше, ніж більшість інших досліджень, які сьогодні використовуються. Так само, як і прийняття для деяких приголомшливих фотографій і анімацій того, як відбувся гігантський вплив, це відкриває всілякі нові питання науки, які ми можемо зараз розпочати.

Це поліпшення завдяки SWIFT, новому коду моделювання, який ми розробили, щоб повною мірою скористатися сучасними "суперкомп'ютерами". Це в основному багато звичайних комп'ютерів, з'єднаних разом. Таким чином, запуск великого моделювання швидко залежить від поділу розрахунків між усіма частинами суперкомп'ютера.

SWIFT оцінює, як довго буде виконуватися кожне обчислювальне завдання в симуляції, і намагається рівномірно розподілити роботу для максимальної ефективності. Подібно до великого нового телескопа, цей стрибок до 1000 разів більшого дозволу показує деталі, яких ми ніколи не бачили.

Exoplanets and Beyond

Окрім вивчення конкретної історії Урана, ще однією важливою мотивацією є розуміння формування планети в цілому. Останніми роками ми виявили, що найбільш поширений тип екзопланет (планет, які обертаються зірками, відмінними від нашого Сонця), дуже схожий на Уран і Нептун. Отже, все, що ми дізнаємося про можливу еволюцію наших власних льодових гігантів, живиться в нашому розумінні далеких родичів і еволюції потенційно придатних для життя світів.

Однією з цікавих деталей, які ми вивчали, що дуже актуально для питання про позаземне життя, є доля атмосфери після гігантського впливу. Наші симуляції з високою роздільною здатністю показують, що частина атмосфери, що вижила внаслідок першого зіткнення, все ще може бути усунена подальшим насильницьким вибухом планети. Відсутність атмосфери робить планету набагато менш ймовірною для життя. Знову ж таки, можливо, величезний внесок енергії та додатковий матеріал можуть допомогти створити корисні хімікати для життя. Кам'яний матеріал з серцевини впливає тіла може також змішуватися у зовнішній атмосфері. Це означає, що ми можемо шукати певні мікроелементи, які можуть бути індикаторами подібних впливів, якщо ми спостерігаємо їх у атмосфері екзопланети.

Багато питань залишаються в Урані, і гігантські впливи взагалі. Незважаючи на те, що наше моделювання стає більш деталізованим, у нас ще є багато для вивчення. Тому багато людей закликають до нової місії до Урана і Нептуна, щоб вивчити їхні дивні магнітні поля, їхні химерні сім'ї місяців і кілець, і навіть просто те, з чого вони насправді зроблені.

Дуже хотілося б, щоб це сталося. Поєднання спостережень, теоретичних моделей і комп'ютерного моделювання в кінцевому підсумку допоможе нам зрозуміти не тільки Уран, але і безліч планет, які заповнюють наш Всесвіт і як вони стали.

Ця стаття спочатку була опублікована на бесіді Джейкоба Кегерріса. Читайте оригінальну статтю тут.