Urano mokslas: kaip milžiniškas ledo planetas baigėsi ant šono?

Uranas neabejotinai yra paslaptingiausia Saulės sistemos planeta - apie tai labai mažai žinome. Iki šiol mes tik vieną kartą lankėmės planetoje su „Voyager 2“ erdvėlaiviu 1986 metais. Akivaizdžiausias keistas dalykas dėl šio ledo milžino yra tai, kad jis sukasi savo pusėje.

Skirtingai nuo visų kitų planetų, kurios sukasi apytiksliai „vertikaliai“, o jų sukimo ašys yra artimos stačiakampio kampo aplink saulę, Uranas yra pakreiptas beveik stačiu kampu. Taigi, vasarą šiaurinis polius nukreipia beveik tiesiai į saulę. Ir, skirtingai nei Saturnas, Jupiteris ir Neptūnas, turintys horizontalų žiedų rinkinį aplink juos, Uranas turi vertikalius žiedus ir mėnulius, kurie orbituoja aplink jo pakreiptą pusiaują.

Taip pat žiūrėkite: „Uranas“ yra pažodžiui Fart fabrikas - ir tai visiškai nužudytų jus

Ledo milžinas taip pat turi stebėtinai šaltą temperatūrą ir netvarų ir ne centrinį magnetinį lauką, skirtingai nei daugelio kitų planetų, pvz., Žemės ar Jupiterio, švarus baras-magnetas. Todėl mokslininkai įtaria, kad Uranas kažkada buvo panašus į kitas saulės sistemos planetas, bet staiga buvo perstumtas. Taigi, kas atsitiko? Mūsų naujasis tyrimas, paskelbtas 2009 m Astrofizinis leidinys ir pristatytas Amerikos geofizinės sąjungos susitikime, siūlo raktą.

Kataklizmas susidūrimas

Mūsų saulės sistema buvo daug stipresnė vieta, kur protoplanetai (įstaigos, besivystančios tapti planetomis) susidūrė su smurtiniais milžiniškais poveikiais, kurie padėjo sukurti šiandienos pasaulius. Dauguma mokslininkų mano, kad urano sukimas yra dramatiško susidūrimo pasekmė. Mes nusprendėme atskleisti, kaip tai galėjo įvykti.

Mes norėjome ištirti milžinišką poveikį Uranui, kad pamatytume, kaip toks susidūrimas galėjo paveikti planetos evoliuciją. Deja, laboratorijoje negalime (dar) statyti dviejų planetų ir sudaužyti jas, kad pamatytume, kas iš tikrųjų vyksta. Vietoj to, mes sekėme kompiuterinius modelius, imituojančius įvykius, naudojant kitą galingiausią super kompiuterį.

Pagrindinė idėja buvo modeliuoti susidūrimo planetas su milijonais dalelių kompiuteryje, iš kurių kiekvienas atstovauja planetos medžiagai. Mes suteikiame modeliavimui lygtis, apibūdinančias, kaip veikia fizika, kaip gravitacija ir materialinis slėgis, todėl ji gali apskaičiuoti, kaip dalelės išsivysto laikui bėgant. Tokiu būdu mes galime studijuoti net fantastiškai sudėtingus ir nepatogius milžiniško poveikio rezultatus. Kitas naudingas kompiuterinis modeliavimas yra tai, kad turime visišką kontrolę. Galime išbandyti įvairius poveikio scenarijus ir ištirti galimų rezultatų spektrą.

Mūsų simuliacijos (žr. Aukščiau) rodo, kad bent du kartus masyvesnis kūnas, kaip Žemė, galėtų lengvai sukurti keistą Urano sukimą, šiandien įsiveržė į jaunąją planetą ir susijungia su juo. Dėl didesnio ganyklų susidūrimo, tikėtina, kad smūgio kūno medžiaga išsiskirs plona, ​​karšta apvalkalu netoli Urano ledo sluoksnio krašto, po vandenilio ir helio atmosfera.

Tai gali slopinti medžiagos maišymą urano viduje, sulaikant šilumą iš jos susidarymo giliai viduje. Įdomu tai, kad ši idėja tinka su tuo, kad šiandien Urano išorė yra tokia šalta. Šiluminė evoliucija yra labai sudėtinga, tačiau bent jau aišku, kaip milžiniškas poveikis gali pertvarkyti planetą viduje ir išorėje.

Super skaičiavimai

Tyrimas taip pat įdomus skaičiuojant perspektyvą. Panašiai kaip teleskopo dydis, simuliacijos dalelių skaičius riboja tai, ką galime išspręsti ir ištirti. Tačiau paprasčiausias kompiuterinis iššūkis yra paprasčiausias bandymas naudoti daugiau dalelių, kad būtų galima atrasti naujus atradimus.

Mūsų naujausi modeliai naudoja daugiau nei 100 m dalelių, apie 100-1000 kartų daugiau nei dauguma kitų šiandien naudojamų tyrimų. Be to, kad susiduriame su nuostabiais vaizdais ir animacijomis apie tai, kaip įvyko milžiniškas poveikis, tai atveria įvairius naujus mokslo klausimus, kuriuos dabar galime spręsti.

Šis pagerėjimas yra SWIFT, naujo modeliavimo kodo, kurį sukūrėme, kad galėtume visapusiškai pasinaudoti šiuolaikiniais „superkompiuteriais“, dėka. Taigi, atliekant didelį modeliavimą, greitai remiamasi skaičiavimų padalijimu tarp visų superkompiuterio dalių.

SWIFT įvertina, kiek laiko kiekviena modeliavimo užduotis bus atlikta ir bandys kruopščiai pasidalinti darbu, kad maksimalus efektyvumas būtų veiksmingas. Kaip ir didelis naujas teleskopas, šis šuolis iki 1000 kartų didesnės skiriamosios gebos atskleidžia detales, kurių niekada anksčiau nematėme.

Eksoplanetai ir už jos ribų

Kaip ir daugiau sužinoti apie specifinę Urano istoriją, kita svarbi motyvacija yra suprasti planetos formavimąsi apskritai. Pastaraisiais metais mes nustatėme, kad labiausiai paplitęs egzoplanetų tipas (planetos, besiribojančios žvaigždėmis, kurios nėra mūsų saulė) yra gana panašios į Uraną ir Neptūną. Taigi viskas, ką sužinome apie galimą mūsų pačių gigantų evoliuciją, prisideda prie mūsų supratimo apie toli nutolusius pusbrolius ir potencialiai gyvenančių pasaulių evoliuciją.

Viena įdomi detalė, kurią mes ištyrėme, labai svarbi nežemiško gyvenimo klausimui, yra atmosferos likimas po milžiniško poveikio. Mūsų didelės skiriamosios gebos simuliacijos atskleidžia, kad kai kuri atmosfera, kuri išgyvena pradinį susidūrimą, vis dar gali būti pašalinta po to, kai ateina smurtinis planetos išsipūtimas. Atmosferos stoka sukelia daug mažesnę tikimybę, kad planuojama gyventi. Vėlgi, galbūt masinis energijos šaltinis ir papildoma medžiaga gali padėti sukurti naudingų cheminių medžiagų gyvenimui. Į išorinę atmosferą taip pat gali patekti uolienų medžiaga, susidariusi nuo smūgio korpuso šerdies. Tai reiškia, kad mes galime ieškoti tam tikrų mikroelementų, kurie gali būti panašaus poveikio rodikliai, jei stebime juos exoplanet atmosferoje.

Daug klausimų lieka apie Uraną ir milžinišką poveikį apskritai. Nors mūsų modeliavimas tampa vis išsamesnis, mes vis dar turime daug mokytis. Todėl daugelis žmonių ragina naują misiją Uranui ir Neptūnui studijuoti jų keistus magnetinius laukus, jų egzotiškus mėnulio ir žiedų šeimus, ir tiesiog paprasčiausiai tai, ką iš tikrųjų jie pagamino.

Labai norėčiau, kad taip atsitiktų. Stebėjimų, teorinių modelių ir kompiuterinių modelių derinys galiausiai padės mums suprasti ne tik Uraną, bet ir daugybę planetų, kurios užpildo mūsų visatą ir kaip jie atsirado.

Šis straipsnis iš pradžių buvo paskelbtas Jacob Kegerreis pokalbyje. Skaitykite originalų straipsnį čia.