Urāns Zinātne: Kā Giant Ice Planet beidzās uz tās sāniem?

Urāns ir neapšaubāmi saudzīgākā planēta Saules sistēmā - mēs par to ļoti maz pazīstam. Līdz šim mēs bijām vienreiz apmeklējuši planētu ar Voyager 2 kosmosa kuģi 1986. gadā. Visvairāk acīmredzama dīvaina lieta par šo ledus milzu ir fakts, ka tas vēršas savā pusē.

Atšķirībā no visām pārējām planētām, kas spin aptuveni "vertikāli" ar to vērpšanas asīm tuvu taisnā leņķī pret orbītu ap sauli, Uranu pavirzās gandrīz taisnā leņķī. Tātad vasarā ziemeļu pols gandrīz tieši vēršas pret sauli. Un atšķirībā no Saturnas, Jupitera un Neptūna, kuriem ir horizontāli gredzenu komplekti, Urānam ir vertikāli gredzeni un pavadoņi, kas orbītā ap savu slīpo ekvatoru.

Skatiet arī: Urāns ir burtiski fartas fabrika - un tas absolūti nogalinātu jūs

Ledus milzim ir arī pārsteidzoši auksta temperatūra un netīrs un ārpus centra magnētiskais lauks, atšķirībā no lielākās daļas citu planētu, piemēram, Zemes vai Jupitera, burvju magnēta formas. Tāpēc zinātnieki uzskata, ka Urāns reiz bija līdzīgs citām Saules sistēmas planētām, bet pēkšņi pagriezās. Tātad, kas notika? Mūsu jaunie pētījumi, publicēti Astrofizikas žurnāls un iepazīstināja ar Amerikas ģeofizikas savienības sanāksmi, piedāvā pavedienu.

Kataklizmiskā sadursme

Mūsu saules sistēma ir bijusi daudz vardarbīgāka vieta, kur protoplanetes (struktūras, kas attīstās, lai kļūtu par planētām) saduras vardarbīgos gigantiskos efektos, kas palīdzēja radīt mūsdienu pasaules. Lielākā daļa pētnieku uzskata, ka Urāna spin ir dramatiskas sadursmes sekas. Mēs nolēmām atklāt, kā tas varētu notikt.

Mēs vēlējāmies izpētīt milzīgo ietekmi uz Urānu, lai redzētu, kā tieši šāda sadursme varētu ietekmēt planētas evolūciju. Diemžēl mēs nevaram (vēl) izveidot divas planētas laboratorijā un sagraut tās kopā, lai redzētu, kas patiešām notiek. Tā vietā mēs darbojām datormodelus, kas imitē notikumus, izmantojot nākamo labāko lietoto jaudīgo superdatoru.

Pamatideja bija modelēt sadursmes planētas ar miljoniem daļiņu datorā, no kurām katra ir planētas materiāla gabals. Simulācijai mēs sniedzam vienādojumus, kas raksturo, kā fizika, piemēram, smaguma un materiālā spiediena darbs, tāpēc var aprēķināt, kā daļiņas attīstās laikā, kad tās crash viens otram. Tādā veidā mēs varam izpētīt pat fantastiski sarežģītus un netīrus milzīgas ietekmes rezultātus. Vēl viens datora simulāciju izmantošanas ieguvums ir tas, ka mums ir pilnīga kontrole. Mēs varam pārbaudīt dažādus ietekmes scenārijus un izpētīt iespējamo rezultātu klāstu.

Mūsu simulācijas (skat. Iepriekš) liecina, ka ķermenis, kas vismaz divreiz ir tik liels kā Zeme, var viegli izveidot dīvainu Urānu, lai ieslīdētu un apvienotos ar jaunu planētu. Lai iegūtu vairāk ganību sadursmēm, triecienelementa materiāls, iespējams, nonāks plānā karstā čaulā pie Urana ledus slāņa malas, zem ūdeņraža un hēlija atmosfēras.

Tas varētu kavēt materiāla sajaukšanos urānā, sildot siltumu no tās veidošanās dziļi iekšā. Aizraujoši, šī ideja, šķiet, atbilst novērojumam, ka Urāna ārpuse šodien ir tik auksta. Termiskā evolūcija ir ļoti sarežģīta, bet vismaz ir skaidrs, kā milzīga ietekme var pārveidot planētu gan iekšpusē, gan ārā.

Super aprēķini

Pētījums ir aizraujošs arī no skaitļošanas viedokļa. Līdzīgi teleskopa izmēram, simulācijas daļiņu skaits ierobežo to, ko mēs varam atrisināt un pētīt. Tomēr, vienkārši cenšoties izmantot vairāk daļiņu, lai nodrošinātu jaunus atklājumus, ir nopietns skaitļošanas izaicinājums, kas nozīmē, ka tas aizņem ilgu laiku pat jaudīgajā datorā.

Mūsu jaunākās simulācijas izmanto vairāk nekā 100 m daļiņas, aptuveni 100-1000 reižu vairāk nekā lielākā daļa citu šodien izmantoto pētījumu. Tāpat kā padarīt dažus satriecošus attēlus un animācijas par milzīgo ietekmi, tas paver visu veidu jaunus zinātnes jautājumus, kurus mēs tagad varam risināt.

Šis uzlabojums ir pateicoties SWIFT, jaunajam simulācijas kodam, kuru mēs izstrādājām, lai pilnībā izmantotu mūsdienu „superdatorus”. Līdz ar to liela simulācijas vadīšana ātri balstās uz aprēķinu sadalīšanu starp visām superdatoru daļām.

SWIFT lēš, cik ilgi katrs simulācijas skaitļošanas uzdevums tiks veikts, un cenšas rūpīgi koplietot darbu vienmērīgi, lai nodrošinātu maksimālu efektivitāti. Tāpat kā liels jauns teleskops, šis lēciens līdz 1000 reižu augstākai izšķirtspējai atklāj detaļas, kuras mēs nekad neesam redzējuši.

Exoplanets un ārpus tās

Papildus svarīgākai Uranas vēstures izpētei vēl viena svarīga motivācija ir saprast planētas veidošanos vispār. Pēdējos gados mēs esam atklājuši, ka visizplatītākais eksoplanetu veids (planētas, kas orbītas zvaigznes, kas nav mūsu saule) ir diezgan līdzīgas Urānam un Neptūnam. Tātad viss, ko mēs uzzinām par mūsu pašu ledus gigantu iespējamo evolūciju, tiek ņemts vērā mūsu izpratnē par saviem tālu attālajiem brālēniem un potenciāli apdzīvojamo pasauli.

Viena aizraujoša detaļa, ko mēs pētījām, kas ir ļoti svarīga jautājumam par ārpuszemes dzīvi, ir atmosfēras liktenis pēc milzīgas ietekmes. Mūsu augstas izšķirtspējas simulācijas atklāj, ka daļu no atmosfēras, kas izdzīvo sākotnējo sadursmi, joprojām var novērst ar vardarbīgu planētas izspiedumu. Atmosfēras trūkums padara planētu daudz mazāk iespējams uzņemt dzīvi. Tad atkal, iespējams, masveida enerģijas patēriņš un pievienotais materiāls var palīdzēt radīt noderīgas ķīmiskās vielas arī dzīvē. Ārējā atmosfērā var arī sajaukt akmeņainu materiālu no triecienelementa kodola. Tas nozīmē, ka mēs varam meklēt dažus mikroelementus, kas varētu būt līdzīgas ietekmes rādītāji, ja mēs tos novērojam exoplanet atmosfērā.

Joprojām ir daudz jautājumu par urānu un milzīgo ietekmi kopumā. Lai gan mūsu simulācijas kļūst detalizētākas, mums vēl ir daudz ko mācīties. Tāpēc daudzi cilvēki aicina jaunu misiju uz Urānu un Neptūnu, lai izpētītu viņu dīvainos magnētiskos laukus, viņu omulīgās pavadoņu ģimenes un gredzenus, un pat vienkārši to, ko tieši viņi patiesībā izgatavo.

Es ļoti gribētu to redzēt. Novērojumu, teorētisko modeļu un datoru simulāciju kombinācija galu galā palīdzēs mums saprast ne tikai Urānu, bet arī neskaitāmas planētas, kas piepilda mūsu Visumu un kā tās kļuva.

Šis raksts sākotnēji tika publicēts Jacob Kegerreis sarunā. Lasiet oriģinālo rakstu šeit.