Uranova znanost: Kako je divovska planeta leda završila na njezinoj strani?

Uran je vjerojatno najtajanstveniji planet u Sunčevom sustavu - o tome znamo vrlo malo. Do sada smo samo jednom posjetili planetu, s Voyager 2 svemirskom letjenicom još 1986. godine. Najočitija čudna stvar kod ovog ledenog diva je činjenica da se vrti na svojoj strani.

Za razliku od svih drugih planeta, koji se okreću otprilike "uspravno" sa svojim rotirajućim osima pod pravim kutom u odnosu na njihove orbite oko Sunca, Uran je nagnut gotovo pravim kutom. Tako u svom ljetnom razdoblju sjeverni pol gotovo točno pokazuje prema suncu. I za razliku od Saturna, Jupitera i Neptuna, koji imaju horizontalne skupove prstena oko njih, Uran ima vertikalne prstenove i mjesece koji kruže oko njegovog nagnutog ekvatora.

Vidi također: Uran je doslovno tvornica prsta - i to bi vas apsolutno ubilo

Ledeni div također ima iznenađujuće hladnu temperaturu i neuredno i izvancentralno magnetsko polje, za razliku od urednog oblika bar-magneta većine drugih planeta kao što su Zemlja ili Jupiter. Znanstvenici, dakle, sumnjaju da je Uran nekada bio sličan drugim planetima u Sunčevom sustavu, ali je iznenada prevrnut. Dakle, što se dogodilo? Naše novo istraživanje, objavljeno u Astrofizički časopis i predstavljen na sastanku Američke geofizičke unije, nudi trag.

Kataklizmički sudar

Naš je Sunčev sustav bio mnogo nasilnije mjesto, s protoplanetima (tijela koja se razvijaju da postanu planeti) koja se sudaraju u nasilnim ogromnim utjecajima koji su pomogli u stvaranju svjetova koje danas vidimo. Većina istraživača vjeruje da je Uranov spin posljedica dramatičnog sudara. Namjeravali smo otkriti kako se to moglo dogoditi.

Željeli smo proučiti ogromne utjecaje na Uran kako bismo vidjeli kako je takav sudar mogao utjecati na evoluciju planeta. Nažalost, ne možemo (još) izgraditi dva planeta u laboratoriju i zajedno ih razbiti da bismo vidjeli što se doista događa. Umjesto toga, pokrenuli smo računalne modele koji simuliraju događaje koristeći snažno superračunalo kao sljedeću najbolju stvar.

Osnovna je ideja bila modelirati sudareće planete s milijunima čestica u računalu, od kojih svaka predstavlja grupu planetarnog materijala. Simulaciji dajemo jednadžbe koje opisuju kako fizika radi kao gravitacija i tlak materijala, tako da se može izračunati kako se čestice s vremenom razvijaju kako se sudaraju jedna u drugu. Na taj način možemo proučavati čak i fantastično komplicirane i neuredne rezultate ogromnog utjecaja. Još jedna korist od korištenja računalnih simulacija je da imamo potpunu kontrolu. Možemo testirati različite scenarije utjecaja i istražiti raspon mogućih ishoda.

Naše simulacije (vidi gore) pokazuju da tijelo koje je najmanje dvostruko masivnije od Zemlje lako može stvoriti čudan spin koji Uran danas ima udarajući i spajajući se s mladom planetom. Za više sudara na ispaši, materijal tijela koji udara, vjerojatno će završiti raširenom u tankoj, vrućoj ljusci blizu ruba Uranova sloja leda, ispod atmosfere vodika i helija.

To bi moglo spriječiti miješanje materijala unutar Urana, zadržavajući toplinu iz njenog formiranja duboko u sebi. Uzbudljivo, čini se da se ova ideja uklapa s opažanjem da je Uranova vanjština danas tako hladna. Toplinska evolucija je vrlo komplicirana, ali je barem jasno kako divovski utjecaj može preoblikovati planet unutar i izvan.

Super izračunavanja

Istraživanje je također uzbudljivo iz računalne perspektive. Slično veličini teleskopa, broj čestica u simulaciji ograničava ono što možemo riješiti i proučiti. Međutim, jednostavno pokušati upotrijebiti više čestica kako bi omogućili nova otkrića ozbiljan je računski izazov, što znači da dugo traje čak i na snažnom računalu.

Naše najnovije simulacije koriste preko 100m čestica, oko 100-1000 puta više od većine drugih današnjih istraživanja. Osim što je stvorio neke zapanjujuće slike i animacije o tome kako se dogodio divovski utjecaj, to otvara sve vrste novih znanstvenih pitanja koja sada možemo početi rješavati.

Ovo poboljšanje je zahvaljujući SWIFT-u, novom simulacijskom kodu kojeg smo osmislili kako bismo u potpunosti iskoristili suvremene "superračunala". To su u osnovi puno normalnih računala povezanih zajedno. Dakle, pokretanje velike simulacije brzo se oslanja na podjelu izračuna između svih dijelova superračunala.

SWIFT procjenjuje koliko će dugo trajati svaki računalni zadatak u simulaciji i nastoji pažljivo podijeliti posao ravnomjerno za maksimalnu učinkovitost. Poput velikog novog teleskopa, ovaj skok do 1000 puta veće razlučivosti otkriva detalje koje do sada nismo vidjeli.

Exoplanets and Beyond

Osim što učimo više o specifičnoj povijesti Urana, još jedna važna motivacija je općenito razumijevanje formacije planeta. Posljednjih godina otkrili smo da su najčešći tipovi egzoplaneta (planeti koji kruže oko zvijezda osim našeg Sunca) vrlo slični Uranu i Neptunu. Dakle, sve što učimo o mogućoj evoluciji naših vlastitih ledenih divova hrani se našim razumijevanjem njihovih dalekih rođaka i evolucijom potencijalno nastanjivih svjetova.

Jedna uzbudljiva pojedinost koju smo proučavali vrlo je relevantna za pitanje izvanzemaljskog života je sudbina atmosfere nakon ogromnog utjecaja. Naše simulacije visoke razlučivosti otkrivaju da se dio atmosfere koja preživljava početni sudar može i dalje ukloniti nasilnim izbijanjem planeta. Nedostatak atmosfere čini planet mnogo manje vjerojatnim da će ugostiti život. Onda opet, možda masivni unos energije i dodani materijal može pomoći u stvaranju korisnih kemikalija za život. Stjenoviti materijal iz jezgre tijela koje utječe također se može miješati u vanjsku atmosferu. To znači da možemo tražiti određene elemente u tragovima koji bi mogli biti pokazatelji sličnih utjecaja ako ih promatramo u atmosferi egzoplaneta.

O Uranu ostaju mnoga pitanja i općenito veliki divovi. Iako naše simulacije postaju sve detaljnije, moramo još puno toga naučiti. Mnogi ljudi stoga pozivaju na novu misiju na Uran i Neptun kako bi proučavali njihova čudna magnetska polja, njihove neobične obitelji mjeseca i prstena, pa čak i jednostavno od čega su zapravo napravljeni.

Jako bih volio vidjeti da se to dogodi. Kombinacija promatranja, teorijskih modela i računalnih simulacija će nam u konačnici pomoći da razumijemo ne samo Uran, već i bezbroj planeta koji ispunjavaju naš svemir i kako su oni postali.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Jacoba Kegerreisa. Pročitajte izvorni članak ovdje.