Uranus tudomány: hogyan fejeződött be az óriás jég bolygó az oldalán?

Uránusz vitathatatlanul a naprendszer leg titokzatosabb bolygója - nagyon keveset tudunk róla. Eddig csak egyszer jártunk a bolygón, a Voyager 2 űrhajóval 1986-ban. A legnyilvánvalóbb furcsa dolog ez a jég óriásnak az a tény, hogy az oldalára fonódik.

Az összes többi bolygótól eltérően, amelyek körbefutó tengelye nagyjából derékszögben közeledik a nap körüli pályájához, az Uranust szinte egyenes szögben döntötték. Így nyáron az északi pólus szinte közvetlenül a nap felé mutat. Szaturnustól, a Jupitertől és a Neptunustól eltérően, amelyek vízszintes gyűrűkkel rendelkeznek körülöttük, az Uránus függőleges gyűrűkkel és holdokkal rendelkezik, amelyek a döntött egyenlítőjük körül keringenek.

Lásd még: Uranus szó szerint egy Fart Factory - És ez teljesen megölne

A jég óriásnak is meglepően hideg hőmérséklete és egy mocskos és off-center mágneses mezője van, ellentétben a legtöbb más bolygók, mint a Föld vagy a Jupiter, tiszta mágneses alakjával. A tudósok ezért gyanítják, hogy az Uránus egykor hasonló volt a Naprendszer többi bolygójához, de hirtelen megfordult. Szóval mi történt? Új kutatásunk, melyet a Asztrofizikai folyóirat és az Amerikai Geofizikai Unió találkozóján bemutatott ötlet.

Kataklizmikus ütközés

Naprendszerünk sokkal erőszakosabb hely volt, ahol a protoplanettek (bolygókká fejlődő testek) erőszakos óriási hatásokba ütköztek, ami segített létrehozni a ma látott világokat. A legtöbb kutató úgy véli, hogy az Uránusz spinje drámai ütközés következménye. Megpróbáltuk feltárni, hogyan történhetett volna.

Azt akartuk tanulmányozni az Uranusra gyakorolt ​​óriási hatásokat, hogy pontosan hogyan lehetett az ilyen ütközés befolyásolni a bolygó evolúcióját. Sajnos nem tudunk (még) két bolygót építeni egy laborban, és összetörni őket, hogy lássuk, mi történik. Ehelyett számítógépes modelleket futtattunk az események szimulálására egy erős szuperszámítógép segítségével, mint a következő legjobb dolog.

Az alapötlet az volt, hogy modellezzük az ütköző bolygókat millió számítógépes részecskével, amelyek mindegyike egy bolygóanyagot tartalmaz. A szimulációnak olyan egyenleteket adjuk meg, amelyek leírják a fizika, mint a gravitáció és az anyagi nyomás munkáját, így kiszámíthatja, hogy a részecskék hogyan fejlődnek az idők során, amikor összeomlik egymásba. Így tanulmányozhatunk még egy hatalmas hatás fantasztikusan bonyolult és rendetlen eredményeit is. A számítógépes szimulációk használatának másik előnye, hogy teljes körű irányításunk van. Különböző hatás-forgatókönyvek széles skáláját tesztelhetjük és megvizsgálhatjuk a lehetséges eredmények körét.

A szimulációink (lásd fent) azt mutatják, hogy egy olyan test, amely legalább kétszer olyan masszív, mint a Föld, könnyedén létrehozhatná az Uranus furcsa spinjét, amint a fiatal bolygókba beleolvad és összeolvad. A több legeltetési ütközésnél az ütő test anyaga valószínűleg egy vékony, meleg héjban elterjedne az Uranus jégrétegének szélén, a hidrogén és a hélium légkör alatt.

Ez megakadályozhatja az anyag uránba történő keverését, és a hőképződés mélyen belsejében keletkezik. Izgalmasan ez az ötlet úgy tűnik, hogy illeszkedik ahhoz a megfigyeléshez, hogy az Uránusz külseje olyan hideg ma. A termikus evolúció nagyon bonyolult, de legalábbis egyértelmű, hogy egy óriási hatás hogyan alakíthatja át a bolygót belül és kívül is.

Szuper számítások

A kutatás számítási szempontból is izgalmas. A teleszkóp méretéhez hasonlóan a szimulációs részecskék száma korlátozza azt, amit megoldani és tanulmányozni tudunk. Azonban az egyszerű felfedezések lehetővé tétele, hogy több részecskét használjunk, az komoly számítási kihívás, ami azt jelenti, hogy még egy erős számítógépen is sokáig tart.

A legújabb szimulációink több mint 100 m-es részecskéket használnak, mintegy 100-1000-szer több, mint a mai napig használt legtöbb tanulmány. Amellett, hogy néhány fantasztikus képet és animációt készít az óriási hatásról, ez újfajta új tudományos kérdéseket nyit meg, amelyeket most elkezdhetünk kezelni.

Ez a javulás köszönhető a SWIFT-nek, egy új szimulációs kódnak, amelyet úgy terveztünk, hogy teljes mértékben kihasználhassa a kortárs „szuperszámítógépeket”. Tehát egy nagy szimuláció futása gyorsan függ a számítások szétválasztásától a szuperszámítógép minden részén.

A SWIFT becsli, hogy a szimuláció minden egyes számítási feladata mennyi ideig tart, és megpróbálja gondosan megosztani a munkát a maximális hatékonyság érdekében. Csakúgy, mint egy nagy új távcső, ez az ugrás 1000-szer nagyobb felbontásúvá teszi a még soha nem látott részleteket.

Exoplaneták és azon túl

Amellett, hogy többet megtudhat az Uránusz sajátos történetéről, egy másik fontos motiváció a bolygó kialakulásának általánosabb megértése. Az utóbbi években felfedeztük, hogy a leggyakoribb típusú exoplanetok (bolygók, amelyek a mi csillagunkon kívül csillagok) nagyon hasonlóak az Uránuszhoz és a Neptunuszhoz. Tehát mindent, amit saját jég óriásainak lehetséges fejlődéséről megtudhatunk, táplálja a távoli unokatestvéreink megértését és a potenciálisan lakható világok fejlődését.

Egy izgalmas részlet, amit tanulmányoztunk, ami nagyon fontos a földönkívüli élet kérdése szempontjából, egy hatalmas hatás utáni légkör sorsa. Nagyfelbontású szimulációink azt mutatják, hogy a kezdeti ütközés fennmaradó légkörének egy része mégis eltávolítható a bolygó későbbi erőszakos domborításával. A légkör hiánya a bolygót sokkal kevésbé valószínű, hogy fogadja az életet. Ismét talán a hatalmas energiabevitel és a hozzáadott anyag segíthet hasznos vegyi anyagok létrehozásában is. Az ütő test magjából származó sziklás anyag a külső atmoszférába is keveredhet. Ez azt jelenti, hogy bizonyos nyomelemeket kereshetünk, amelyek hasonló hatású mutatók lehetnek, ha exoplanet légkörben figyeljük meg őket.

Sok kérdés marad az uránuszról és az óriási hatásokról általában. Annak ellenére, hogy szimulációink egyre részletesebbek, még mindig sok a tanulás. Sokan ezért új missziót kértek Uránuszba és Neptunuszba, hogy tanulmányozzák furcsa mágneses mezőiket, a holdjaik és a gyűrűk mókás családjait, és egyszerűen csak azt, hogy pontosan mit csináltak.

Nagyon szeretném látni ezt. A megfigyelések, az elméleti modellek és a számítógépes szimulációk kombinációja végül segít nekünk megérteni nem csak az Uránt, hanem a számtalan bolygót, amely kitölti univerzumunkat és hogyan jöttek létre.

Ezt a cikket eredetileg Jacob Kegerreis The Conversation című kiadványában tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.