Hvordan endte Uranus på sin side? Vi har fundet ud af det

Uranus er uden tvivl den mest mystiske planet i solsystemet - vi ved meget lidt om den. Indtil nu, vi har kun besøgt planeten én gang, med Voyager 2-rumfartøjet tilbage i 1986. Det mest åbenlyse mærkelige ved denne isgigant er, at den snurrer om på siden.

I modsætning til alle andre planeter, som spinder nogenlunde "opretstående" med deres spin-akser i tæt vinkel på deres kredsløb omkring solen, Uranus vippes med næsten en ret vinkel. Så om sommeren, nordpolen peger næsten direkte mod solen. Og i modsætning til Saturn, Jupiter og Neptun, som har vandrette sæt ringe omkring sig, Uranus har lodrette ringe og måner, der kredser om dens skrå ækvator.

Isgiganten har også en overraskende kold temperatur og et rodet og off-centreret magnetfelt, i modsætning til den pæne stangmagnetform på de fleste andre planeter som Jorden eller Jupiter. Forskere formoder derfor, at Uranus engang lignede de andre planeter i solsystemet, men pludselig blev vendt om. Hvad skete der? Vores nye forskning, offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift og præsenteret på et møde i American Geophysical Union, giver et fingerpeg.

Katalysmisk kollision

Vores solsystem plejede at være et meget mere voldeligt sted, med protoplaneter (kroppe, der udvikler sig til at blive planeter), der kolliderer i voldsomme kæmpepåvirkninger, der var med til at skabe de verdener, vi ser i dag. De fleste forskere mener, at Uranus' spin er konsekvensen af ​​en dramatisk kollision. Vi satte os for at afdække, hvordan det kunne være sket.

Vi ønskede at studere gigantiske indvirkninger på Uranus for at se præcis, hvordan en sådan kollision kunne have påvirket planetens udvikling. Desværre, vi kan (endnu) ikke bygge to planeter i et laboratorium og smadre dem sammen for at se, hvad der virkelig sker. I stedet, vi kørte computermodeller, der simulerede begivenhederne ved at bruge en kraftfuld supercomputer som den næstbedste ting.

Den grundlæggende idé var at modellere de kolliderende planeter med millioner af partikler i computeren, hver repræsenterer en klump af planetarisk materiale. Vi giver simuleringen ligningerne, der beskriver, hvordan fysik som tyngdekraft og materialetryk fungerer, så den kan beregne, hvordan partiklerne udvikler sig med tiden, når de styrter ind i hinanden. På denne måde kan vi studere selv de fantastisk komplicerede og rodede resultater af en kæmpe indvirkning. En anden fordel ved at bruge computersimuleringer er, at vi har fuld kontrol. Vi kan teste en lang række forskellige påvirkningsscenarier og undersøge rækken af ​​mulige resultater.

Vores simuleringer (se ovenfor) viser, at et legeme, der er mindst dobbelt så massivt som Jorden, let kunne skabe det mærkelige spin Uranus har i dag ved at slå ind i og smelte sammen med en ung planet. For flere græsningskollisioner, den stødende krops materiale ville sandsynligvis ende med at blive spredt ud i en tynd, varm skal nær kanten af ​​Uranus' islag, under brint- og heliumatmosfæren.

Dette kunne hæmme blandingen af ​​materiale inde i Uranus, fanger varmen fra dens dannelse dybt inde. Spændende nok, denne idé synes at passe med den observation, at Uranus' ydre er så koldt i dag. Termisk udvikling er meget kompliceret, men det er i det mindste klart, hvordan et kæmpe nedslag kan omforme en planet både inde og ude.

Super beregninger

Forskningen er også spændende ud fra et beregningsmæssigt perspektiv. Meget ligesom størrelsen af ​​et teleskop, antallet af partikler i en simulering begrænser, hvad vi kan løse og studere. Imidlertid, blot at prøve at bruge flere partikler for at muliggøre nye opdagelser er en alvorlig beregningsmæssig udfordring, hvilket betyder, at det tager lang tid selv på en kraftig computer.

Vores seneste simuleringer bruger over 100m partikler, omkring 100-1, 000 gange mere end de fleste andre undersøgelser i dag bruger. Ud over at lave nogle fantastiske billeder og animationer af, hvordan den gigantiske påvirkning skete, dette åbner op for alle mulige nye videnskabelige spørgsmål, som vi nu kan begynde at tackle.

Denne forbedring er takket være SWIFT, en ny simuleringskode, vi har designet til at drage fuld fordel af moderne "supercomputere". Disse er dybest set mange normale computere, der er forbundet sammen. Så, at køre en stor simulering er hurtigt afhængig af at opdele beregningerne mellem alle dele af supercomputeren.

SWIFT estimerer, hvor lang tid hver computeropgave i simuleringen vil tage, og forsøger omhyggeligt at dele arbejdet jævnt for maksimal effektivitet. Ligesom et stort nyt teleskop, dette spring til 1, 000 gange højere opløsning afslører detaljer, vi aldrig har set før.

Exoplaneter og videre

Udover at lære mere om Uranus' specifikke historie, en anden vigtig motivation er at forstå planetdannelsen mere generelt. I de seneste år, vi har opdaget, at den mest almindelige type exoplaneter (planeter, der kredser om andre stjerner end vores sol) er ret lig Uranus og Neptun. Så alt, hvad vi lærer om den mulige udvikling af vores egne isgiganter, leverer ind i vores forståelse af deres fjerntliggende fætre og udviklingen af ​​potentielt beboelige verdener.

En spændende detalje, vi studerede, og som er meget relevant for spørgsmålet om udenjordisk liv, er en atmosfæres skæbne efter et gigantisk nedslag. Vores højopløsningssimuleringer afslører, at noget af atmosfæren, der overlever den indledende kollision, stadig kan fjernes ved den efterfølgende voldsomme udbuling af planeten. Manglen på en atmosfære gør en planet meget mindre tilbøjelig til at være vært for liv. Så igen, måske kan det massive energitilførsel og tilføjede materiale også være med til at skabe nyttige kemikalier for livet. Stenet materiale fra den stødende krops kerne kan også blandes ind i den ydre atmosfære. Det betyder, at vi kan lede efter visse sporelementer, som kan være indikatorer for lignende påvirkninger, hvis vi observerer dem i en exoplanets atmosfære.

Der er mange spørgsmål tilbage om Uranus, og gigantiske påvirkninger generelt. Selvom vores simuleringer bliver mere detaljerede, vi har stadig meget at lære. Mange mennesker efterlyser derfor en ny mission til Uranus og Neptun for at studere deres mærkelige magnetfelter, deres skæve familier af måner og ringe og endda blot hvad de egentlig er lavet af.

Det vil jeg meget gerne se ske. Kombinationen af ​​observationer, teoretiske modeller og computersimuleringer vil i sidste ende hjælpe os med at forstå ikke kun Uranus, men de utallige planeter, der fylder vores univers, og hvordan de blev til.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.