Uranus Science: Hur slutade den jätte isplaneten på sin sida?

Uranus är förmodligen den mest mystiska planeten i solsystemet - vi vet väldigt lite om det. Hittills har vi bara besökt planeten en gång, med Voyager 2 rymdfarkosten tillbaka år 1986. Den mest uppenbara udda sak om den här isjätten är det faktum att den spinner på sin sida.

Till skillnad från alla andra planeter, som snurrar "upprätt" med sina spindelaxlar i nära vinkel mot sina banor runt solen, är Uranus lutad med nästan en rätt vinkel. Så på sommaren pekar nordpolen nästan direkt mot solen. Och i motsats till Saturnus, Jupiter och Neptun, som har horisontella uppsättningar ringar runt dem, har Uranus vertikala ringar och månar som kretsar kring sin lutande ekvator.

Se också: Uranus är bokstavligen en snabbfabrik - och det skulle absolut döda dig

Isjätten har också en överraskande kall temperatur och ett stökigt och off-center magnetfält, till skillnad från den snygga barmagnetformen på de flesta andra planeter som Earth eller Jupiter. Forskare misstänker därför att Uranus en gång liknade de andra planeterna i solsystemet, men blev plötsligt vänd om. Så vad hände? Vår nya forskning, publicerad i Astrofysisk tidskrift och presenteras vid ett möte i American Geophysical Union, erbjuder en ledtråd.

Cataclysmic Collision

Vårt solsystem brukade vara en mycket våldsamare plats, med protoplaneter (kroppar som utvecklas för att bli planeter) kolliderar i våldsamma jättepåverkan som hjälpte till att skapa världarna vi ser idag. De flesta forskare tror att Uranus spin är en följd av en dramatisk kollision. Vi satte oss för att upptäcka hur det kunde ha hänt.

Vi ville studera jättepåverkan på Uranus för att se exakt hur en sådan kollision kunde ha påverkat planetens utveckling. Tyvärr kan vi inte (ännu) bygga två planeter i ett labb och krossa dem för att se vad som verkligen händer. Istället körde vi datormodeller som simulerade händelserna med hjälp av en kraftfull superdator som nästa bästa.

Grundidén var att modellera de kolliderande planeterna med miljontals partiklar i datorn, vilka var och en representerar en klump av planetmaterial. Vi ger simuleringen ekvationerna som beskriver hur fysik som gravitation och materialtryck fungerar, så det kan beräkna hur partiklarna utvecklas med tiden när de kraschar in i varandra. På så sätt kan vi studera även de fantastiskt komplicerade och röriga resultaten av en jättepåverkan. En annan fördel med att använda datorsimuleringar är att vi har full kontroll. Vi kan testa ett brett utbud av olika konsekvenser och utforska utbudet av möjliga resultat.

Våra simuleringar (se ovan) visar att en kropp som är minst dubbelt så stor som jorden lätt skulle kunna skapa den underliga spinnen Uranus har idag genom att slå in i och slå samman med en ung planet. För mer betande kollisioner kommer den påverkande kroppens material sannolikt att spridas ut i ett tunt, varmt skal nära kanten av Uranus 'islager, under väte- och heliumatmosfären.

Detta kan hämma blandningen av material inuti Uranus och fånga värmen från dess djup inuti. Spännande, denna idé verkar passa med observationen att Uranus utsida är så kallt idag. Termisk utveckling är mycket komplicerad, men det är åtminstone klart hur en jättepåverkan kan omforma en planet både inifrån och ut.

Superberäkningar

Forskningen är också spännande från ett beräkningsperspektiv. På samma sätt som storleken på ett teleskop begränsar antalet partiklar i en simulering vad vi kan lösa och studera. Att helt enkelt försöka använda fler partiklar för att möjliggöra nya upptäckter är dock en allvarlig beräkningsutmaning, vilket innebär att det tar lång tid även på en kraftfull dator.

Våra senaste simuleringar använder över 100m partiklar, cirka 100-1000 gånger mer än de flesta andra studier som idag används. Förutom att göra några fantastiska bilder och animationer av hur jättepåverkan hände, öppnar detta upp alla möjliga nya vetenskapliga frågor som vi nu kan börja ta itu med.

Denna förbättring är tack vare SWIFT, en ny simuleringskod vi utformade för att dra full nytta av moderna "superdatorer". Det här är i grunden många vanliga datorer kopplade ihop. Så, med en stor simulering beror vi snabbt på att dela upp beräkningarna mellan alla delar av superdatorn.

SWIFT uppskattar hur lång tid varje beräkningsuppgift i simuleringen ska ta och försöker noggrant dela jobbet jämnt för maximal effektivitet. Precis som ett stort nytt teleskop avslöjar detta hopp till 1000 gånger högre upplösning detaljer som vi aldrig sett tidigare.

Exoplanets och Beyond

Förutom att lära sig mer om Uranus specifika historia, är en annan viktig motivation att förstå planetbildning mer allmänt. Under de senaste åren har vi upptäckt att den vanligaste typen av exoplaneter (planeter som kretsar andra än vår sol) liknar Uranus och Neptunus. Så allt som vi lär oss om den möjliga utvecklingen av våra egna isjättar föder in i vår förståelse för deras avlägsna kusiner och utvecklingen av potentiellt beboeliga världar.

En spännande detalj vi studerade som är mycket relevant för frågan om utomjordiskt liv är ödet i en atmosfär efter en jättepåverkan. Våra högupplösta simuleringar avslöjar att en del av atmosfären som överlever den första kollisionen fortfarande kan avlägsnas av den efterföljande våldsamma utbuktningen av planeten. Bristen på atmosfär gör en planet mycket mindre sannolikt värd för livet. Då kan kanske den massiva energitillförseln och tillsatt material också bidra till att skapa användbara kemikalier för livet också. Stenigt material från kärnkroppens kärna kan också blandas in i yttre atmosfären. Det betyder att vi kan leta efter vissa spårämnen som kan vara indikatorer för liknande effekter om vi observerar dem i en exoplanets atmosfär.

Många frågor kvarstår om Uranus, och jättepåverkan i allmänhet. Trots att våra simuleringar blir mer detaljerade, har vi fortfarande mycket att lära. Många människor kräver därför ett nytt uppdrag för Uranus och Neptun för att studera sina konstiga magnetfält, deras udda familjer av månar och ringar, och till och med helt enkelt precis vad de egentligen är gjorda av.

Jag skulle gärna vilja se det hända. Kombinationen av observationer, teoretiska modeller och datorsimuleringar hjälper oss till sist att förstå inte bara Uranus utan de myriade planeterna som fyller vårt universum och hur de kom till.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Jacob Kegerreis. Läs den ursprungliga artikeln här.