Uranus Science: Hoe kwam de Giant Ice Planet aan zijn zijde?

Uranus is misschien wel de meest mysterieuze planeet in het zonnestelsel - we weten er heel weinig van. Tot nu toe hebben we de planeet maar één keer bezocht, met het ruimtevaartuig Voyager 2 in 1986. Het meest voor de hand liggende vreemde aan deze ijsreus is het feit dat het op zijn zij draait.

In tegenstelling tot alle andere planeten, die ruwweg "rechtop" draaien met hun draaiassen in een bijna rechte hoek ten opzichte van hun banen rond de zon, is Uranus bijna een rechte hoek gekanteld. Dus in de zomer wijst de noordpool bijna direct naar de zon. En in tegenstelling tot Saturnus, Jupiter en Neptunus, die horizontale reeksen ringen om hen heen hebben, heeft Uranus verticale ringen en manen die rond zijn gekantelde evenaar draaien.

Zie ook: Uranus is letterlijk een scheetfabriek - en het zou je absoluut vermoorden

De ijsreus heeft ook een verrassend koude temperatuur en een rommelig en uit het midden gelegen magnetisch veld, in tegenstelling tot de nette staafmagneetvorm van de meeste andere planeten zoals de aarde of Jupiter. Wetenschappers vermoeden daarom dat Uranus ooit vergelijkbaar was met de andere planeten in het zonnestelsel, maar plotseling werd omgedraaid. Dus wat gebeurde er? Ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in de Astrophysical Journal en gepresenteerd op een bijeenkomst van de American Geophysical Union, biedt een idee.

Cataclysmische botsing

Ons zonnestelsel was vroeger een veel gewelddadiger plek, met protoplaneten (lichamen die zich ontwikkelden om planeten te worden) botsten bij gewelddadige gigantische inslagen die hielpen de werelden te creëren die we vandaag zien. De meeste onderzoekers geloven dat de spin van Uranus het gevolg is van een dramatische botsing. We wilden ontdekken hoe het had kunnen gebeuren.

We wilden enorme impacts op Uranus bestuderen om precies te zien hoe een dergelijke botsing de evolutie van de planeet zou hebben beïnvloed. Helaas kunnen we (nog) niet twee planeten in een laboratorium bouwen en ze samen verpletteren om te zien wat er echt gebeurt. In plaats daarvan hebben we computermodellen uitgevoerd die de gebeurtenissen simuleren met een krachtige supercomputer als het beste ding.

Het basisidee was om de botsende planeten te modelleren met miljoenen deeltjes in de computer, die elk een stuk planetair materiaal vertegenwoordigen. We geven de simulatie de vergelijkingen die beschrijven hoe fysica zoals zwaartekracht en materiële druk werken, zodat het kan berekenen hoe de deeltjes evolueren met de tijd terwijl ze tegen elkaar botsen. Op deze manier kunnen we zelfs de fantastisch gecompliceerde en rommelige resultaten van een gigantische impact bestuderen. Een ander voordeel van het gebruik van computersimulaties is dat we volledige controle hebben. We kunnen een groot aantal verschillende impactscenario's testen en de reeks mogelijke uitkomsten verkennen.

Onze simulaties (zie boven) laten zien dat een lichaam dat minstens twee keer zo zwaar is als de aarde, gemakkelijk de vreemde draai kan creëren die Uranus vandaag heeft door te slaan in en te versmelten met een jonge planeet. Voor meer weidebotsingen zou het materiaal van het inslaande lichaam waarschijnlijk eindigen in een dunne, hete omhulling nabij de rand van de ijslaag van Uranus, onder de waterstof- en heliumatmosfeer.

Dit zou het mengen van materiaal in Uranus kunnen belemmeren, waardoor de warmte diep van binnen uit de formatie gevangen blijft. Opwindend lijkt dit idee te passen bij de waarneming dat de buitenkant van Uranus vandaag zo koud is. Thermische evolutie is erg gecompliceerd, maar het is op zijn minst duidelijk hoe een enorme impact een planeet zowel binnen als buiten kan hervormen.

Super Computaties

Het onderzoek is ook spannend vanuit een computationeel perspectief. Net als de grootte van een telescoop beperkt het aantal deeltjes in een simulatie wat we kunnen oplossen en bestuderen. Gewoon proberen om meer deeltjes te gebruiken om nieuwe ontdekkingen mogelijk te maken, is echter een serieuze computationele uitdaging, wat betekent dat het lang duurt, zelfs op een krachtige computer.

Onze nieuwste simulaties gebruiken meer dan 100 miljoen deeltjes, ongeveer 100 - 1000 keer meer dan de meeste andere studies die we tegenwoordig gebruiken. Naast het maken van prachtige foto's en animaties van hoe de gigantische impact gebeurde, opent dit allerlei nieuwe wetenschappelijke vragen die we nu kunnen aanpakken.

Deze verbetering is te danken aan SWIFT, een nieuwe simulatiecode die we hebben ontworpen om optimaal te profiteren van de hedendaagse 'supercomputers'. Dit zijn in feite veel normale computers die aan elkaar zijn gekoppeld. Het uitvoeren van een grote simulatie is dus snel afhankelijk van het verdelen van de berekeningen tussen alle delen van de supercomputer.

SWIFT schat hoe lang elke computertaak in de simulatie zal duren en probeert het werk zorgvuldig te delen voor maximale efficiëntie. Net als een grote nieuwe telescoop onthult deze sprong naar een 1.000 keer hogere resolutie details die we nog nooit eerder hebben gezien.

Exoplaneten en verder

Naast meer te leren over de specifieke geschiedenis van Uranus, is een andere belangrijke motivatie het begrijpen van planeetvorming in het algemeen. In de afgelopen jaren hebben we ontdekt dat het meest voorkomende type exoplaneten (planeten die buiten onze zon om andere sterren cirkelen) behoorlijk lijkt op Uranus en Neptunus. Dus alles wat we te weten komen over de mogelijke evolutie van onze eigen ijsreuzen, voedt ons begrip van hun verre verre neven en de evolutie van potentieel bewoonbare werelden.

Een interessant detail dat we hebben bestudeerd en dat zeer relevant is voor de kwestie van buitenaards leven, is het lot van een atmosfeer na een gigantische impact. Onze simulaties met hoge resolutie onthullen dat een deel van de atmosfeer die de aanvankelijke botsing overleeft, nog steeds kan worden verwijderd door de daaropvolgende gewelddadige bolling van de planeet. Het ontbreken van een atmosfeer maakt een planeet veel minder waarschijnlijk om het leven te herbergen. Misschien kunnen de enorme energie-input en het toegevoegde materiaal misschien ook helpen om nuttige chemicaliën te maken voor het leven. Rotsachtig materiaal van de kern van het inslaande lichaam kan ook worden gemengd in de buitenste atmosfeer. Dit betekent dat we kunnen zoeken naar bepaalde sporenelementen die indicatoren kunnen zijn van soortgelijke effecten als we ze waarnemen in de atmosfeer van een exoplaneet.

Er zijn nog veel vragen over Uranus en over het algemeen grote gevolgen. Hoewel onze simulaties steeds gedetailleerder worden, hebben we nog veel te leren. Veel mensen roepen daarom om een ​​nieuwe missie naar Uranus en Neptunus om hun vreemde magnetische velden te bestuderen, hun eigenzinnige manen- en ringenfamilies, en zelfs eenvoudigweg waar ze precies van gemaakt zijn.

Ik zou heel graag willen zien dat dit gebeurt. De combinatie van observaties, theoretische modellen en computersimulaties zal uiteindelijk ons ​​helpen niet alleen Uranus te begrijpen, maar ook de talloze planeten die ons universum vullen en hoe ze zijn ontstaan.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op De conversatie door Jacob Kegerreis. Lees hier het originele artikel.