Наука Урана: как гигантская ледяная планета оказалась на своей стороне?

Уран, пожалуй, самая загадочная планета в Солнечной системе - мы очень мало знаем об этом. Пока что мы посетили планету только один раз, с космическим кораблем Voyager 2 в 1986 году. Самая очевидная странность этого ледяного гиганта в том, что он вращается на своей стороне.

В отличие от всех других планет, которые вращаются примерно «вертикально», а их оси вращения находятся под прямым углом к ​​их орбитам вокруг Солнца, Уран наклонен почти на прямой угол. Таким образом, летом северный полюс указывает почти прямо на солнце. И в отличие от Сатурна, Юпитера и Нептуна, которые имеют горизонтальные кольца вокруг себя, у Урана есть вертикальные кольца и луны, которые вращаются вокруг своего наклонного экватора.

Читайте также: Уран - буквально пердитовая фабрика - и это вас абсолютно убьет

Ледяной гигант также имеет удивительно низкую температуру и грязное и нецентральное магнитное поле, в отличие от аккуратной формы стержневого магнита большинства других планет, таких как Земля или Юпитер. Поэтому ученые подозревают, что Уран когда-то был похож на другие планеты в Солнечной системе, но внезапно перевернулся. Так что же случилось? Наше новое исследование, опубликованное в Астрофизический Журнал и представлен на заседании Американского геофизического союза, предлагает подсказку.

Катаклизм Столкновение

Наша солнечная система раньше была гораздо более жестоким местом, где протопланеты (тела, развивающиеся, чтобы стать планетами) сталкивались с насильственными гигантскими ударами, которые помогли создать миры, которые мы видим сегодня. Большинство исследователей считают, что вращение Урана является следствием драматического столкновения. Мы решили выяснить, как это могло произойти.

Мы хотели изучить гигантские воздействия на Уран, чтобы понять, как именно такое столкновение могло повлиять на эволюцию планеты. К сожалению, мы не можем (пока) построить две планеты в лаборатории и разбить их вместе, чтобы увидеть, что на самом деле происходит. Вместо этого мы запустили компьютерные модели, имитирующие события, используя мощный суперкомпьютер в качестве следующей лучшей вещи.

Основная идея состояла в том, чтобы смоделировать сталкивающиеся планеты с миллионами частиц в компьютере, каждая из которых представляет собой кусок планетарного материала. Мы даем симуляции уравнения, которые описывают, как работают физики, такие как гравитация и материальное давление, чтобы он мог рассчитать, как частицы эволюционируют со временем, когда они сталкиваются друг с другом. Таким образом, мы можем изучать даже фантастически сложные и грязные результаты гигантского воздействия. Еще одним преимуществом использования компьютерного моделирования является то, что мы имеем полный контроль. Мы можем протестировать широкий спектр различных сценариев воздействия и изучить диапазон возможных результатов.

Наше моделирование (см. Выше) показывает, что тело, по крайней мере, вдвое массивное, чем Земля, могло бы с легкостью создать странное вращение, которое сегодня имеет Уран, врезаясь в молодую планету и сливаясь с ней. Для более сильных столкновений материал ударного тела, вероятно, в конечном итоге будет распространяться в тонкой горячей оболочке у края ледяного слоя Урана, под атмосферой водорода и гелия.

Это может препятствовать смешиванию материала внутри Урана, удерживая тепло от его образования глубоко внутри. Захватывающе, эта идея, кажется, согласуется с наблюдением, что внешность Урана сегодня настолько холодна. Тепловая эволюция очень сложна, но по крайней мере ясно, как гигантский удар может изменить планету как внутри, так и снаружи.

Супер вычисления

Исследование также интересно с вычислительной точки зрения. Так же, как размер телескопа, количество частиц в симуляции ограничивает то, что мы можем разрешить и изучить. Однако простая попытка использовать больше частиц для обеспечения новых открытий является серьезной вычислительной задачей, а это значит, что даже на мощном компьютере это займет много времени.

В наших последних исследованиях используются частицы размером более 100 м, что примерно в 100-1000 раз больше, чем в большинстве других современных исследований. Помимо создания потрясающих картинок и анимаций о том, как произошло гигантское воздействие, это открывает всевозможные новые научные вопросы, которые мы теперь можем решать.

Это улучшение благодаря SWIFT, новому коду симуляции, который мы разработали, чтобы в полной мере использовать преимущества современных «суперкомпьютеров». Это в основном множество обычных компьютеров, соединенных вместе. Таким образом, выполнение большой симуляции быстро зависит от разделения вычислений между всеми частями суперкомпьютера.

SWIFT оценивает, сколько времени займет выполнение каждой вычислительной задачи в моделировании, и пытается аккуратно распределить работу равномерно для максимальной эффективности. Подобно большому новому телескопу, этот скачок в 1000 раз выше разрешения раскрывает детали, которые мы никогда не видели раньше.

Экзопланеты и дальше

Наряду с изучением конкретной истории Урана, другой важной мотивацией является понимание формирования планеты в целом. В последние годы мы обнаружили, что наиболее распространенный тип экзопланет (планет, которые вращаются вокруг звезд, отличных от нашего Солнца), очень похож на Уран и Нептун. Таким образом, все, что мы узнаем о возможной эволюции наших собственных ледяных гигантов, способствует нашему пониманию их дальних родственников и эволюции потенциально обитаемых миров.

Одна интересная деталь, которую мы изучили и которая очень важна для вопроса о внеземной жизни, - это судьба атмосферы после гигантского удара. Наше моделирование с высоким разрешением показывает, что часть атмосферы, которая выживает при первоначальном столкновении, все еще может быть удалена последующим сильным выпучением планеты. Отсутствие атмосферы делает планету менее вероятной для жизни. С другой стороны, возможно, огромные энергозатраты и дополнительные материалы могут помочь создать полезные химические вещества для жизни. Скальный материал из ядра ударного тела также может смешиваться с внешней атмосферой. Это означает, что мы можем искать определенные микроэлементы, которые могут быть индикаторами аналогичного воздействия, если мы наблюдаем их в атмосфере экзопланеты.

Остается много вопросов об Уране и о гигантских последствиях в целом. Несмотря на то, что наши симуляции становятся более подробными, нам еще многое предстоит узнать. Поэтому многие люди призывают к новой миссии на Уран и Нептун, чтобы изучить их странные магнитные поля, их причудливые семейства лун и колец и даже просто то, из чего именно они на самом деле сделаны.

Я бы очень хотел, чтобы это произошло. Сочетание наблюдений, теоретических моделей и компьютерного моделирования в конечном итоге поможет нам понять не только Уран, но и множество планет, которые заполняют нашу вселенную, и то, как они появились.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Джейкобом Кегеррайсом. Прочитайте оригинальную статью здесь.