Uranus Science: Jak skončila obří ledová planeta na své straně?

Uran je pravděpodobně nejzáhadnější planeta ve sluneční soustavě - o tom víme jen velmi málo. Zatím jsme planetu navštívili pouze jednou, s kosmickou lodí Voyager 2 v roce 1986. Nejzřejmější zvláštností na tomto ledovém obři je skutečnost, že se točí na jeho straně.

Na rozdíl od všech ostatních planet, které se otáčejí zhruba „vzpřímeně“ se svými rotačními osami v blízkosti pravých úhlů k jejich drahám kolem Slunce, je Uran nakloněn o téměř pravý úhel. Tak v jeho létě, severní pól směřuje téměř přímo ke slunci. A na rozdíl od Saturna, Jupitera a Neptunu, které mají kolem sebe horizontální sady prstenů, má Uran svislé prstence a měsíce, které obíhají kolem nakloněného rovníku.

Viz také: Uran je doslova prd továrna - a to by naprosto zabít

Obří led má také překvapivě nízkou teplotu a chaotický a off-center magnetické pole, na rozdíl od úhledného tvaru bar-magnetu většiny ostatních planet jako je Země nebo Jupiter. Vědci se proto domnívají, že Uran byl kdysi podobný ostatním planetám ve sluneční soustavě, ale náhle byl převrácen. Tak, co se stalo? Náš nový výzkum, publikovaný v Astrophysical Journal a představil na setkání Americké geofyzikální unie, nabízí vodítko.

Kataklyzmatická kolize

Naše sluneční soustava bývala mnohem násilnějším místem, kde se protoplasty (těla, které se staly planetami) srazily v násilných obřích dopadech, které pomohly vytvořit světy, které vidíme dnes. Většina výzkumníků se domnívá, že rotace Uranu je důsledkem dramatické kolize. Vydali jsme se na to, jak se to mohlo stát.

Chtěli jsme studovat obrovské dopady na Uran, abychom přesně viděli, jak by taková kolize mohla ovlivnit vývoj planety. Bohužel nemůžeme (zatím) postavit dvě planety v laboratoři a rozbít je dohromady, abychom viděli, co se skutečně děje. Místo toho jsme provozovali počítačové modely simulující události pomocí výkonného superpočítače jako další nejlepší věc.

Základní myšlenkou bylo modelovat kolidující planety s miliony částic v počítači, z nichž každý představuje kus planetárního materiálu. Dáváme simulaci rovnice, které popisují, jak fyzika, jako je gravitace a materiální tlak práce, tak to může spočítat, jak se částice vyvíjet s časem, jak narazí do sebe. Tímto způsobem můžeme studovat i fantasticky komplikované a chaotické výsledky obrovského dopadu. Další výhodou používání počítačových simulací je, že máme plnou kontrolu. Můžeme otestovat širokou škálu různých dopadových scénářů a prozkoumat rozsah možných výsledků.

Naše simulace (viz výše) ukazují, že tělo alespoň dvakrát tak mohutné jako Země by mohlo snadno vytvořit podivnou rotaci Uranu, která dnes zasáhla a spojila se s mladou planetou. Pro větší kolizi pastvy by materiál dopadajícího těla pravděpodobně skončil rozprostřený v tenké horké skořápce poblíž okraje ledové vrstvy Uranu, pod atmosférou vodíku a hélia.

To by mohlo zamezit míchání materiálu uvnitř Uranu, zachycení tepla z jeho tvorby hluboko uvnitř. Vzrušující je, že tato myšlenka zapadá do pozorování, že vnější povrch Uranu je dnes tak chladný. Tepelná evoluce je velmi složitá, ale je přinejmenším jasné, jak obrovský dopad může přetvořit planetu uvnitř i vně.

Super výpočty

Výzkum je také vzrušující z počítačového hlediska. Stejně jako velikost dalekohledu omezuje počet částic v simulaci to, co můžeme vyřešit a studovat. Jednoduše se pokoušíme použít více částic, aby bylo možné nové objevy, ale je to vážný výpočetní problém, což znamená, že i na výkonném počítači trvá dlouho.

Naše nejnovější simulace používají více než 100m částic, asi 100-1000 krát více než většina jiných studií, které dnes používají. Kromě toho, že se jedná o úžasné snímky a animace o tom, jak se tento obrovský dopad stal, otevírá se to všemožným novým vědeckým otázkám, které nyní můžeme začít řešit.

Toto zlepšení je díky SWIFTu, novému simulačnímu kódu, navrženému tak, aby plně využil současných „superpočítačů“. Jedná se v podstatě o spoustu běžných počítačů spojených dohromady. Takže velká simulace se rychle spoléhá na rozdělení výpočtů mezi všemi částmi superpočítače.

SWIFT odhaduje, jak dlouho bude každý výpočetní úkol v simulaci trvat, a snaží se pečlivě sdílet práci rovnoměrně pro maximální efektivitu. Stejně jako velký nový dalekohled, i tento skok na 1000 krát vyšší rozlišení odhaluje detaily, které jsme ještě nikdy neviděli.

Exoplanets a Beyond

Dalším důležitým motivačním faktorem je nejen naučit se více o specifické historii Uranu, ale také obecněji porozumět formování planety. V posledních letech jsme zjistili, že nejběžnější typ exoplanet (planet, které obíhají kolem jiných hvězd než Slunce) je podobný Uranu a Neptunu. Takže všechno, co se dozvídáme o možném vývoji našich vlastních ledových obrů, se živí v našem chápání jejich vzdálených bratranců a vývoje potenciálně obývatelných světů.

Jeden vzrušující detail, který jsme studovali a který je velmi důležitý pro otázku mimozemského života, je osud atmosféry po obrovském dopadu. Naše simulace s vysokým rozlišením ukazují, že část atmosféry, která přežije počáteční kolizi, může být odstraněna následným násilným vyboulením planety. Nedostatek atmosféry činí planetu mnohem méně pravděpodobnou, že bude hostitelem život. Pak opět možná masivní přívod energie a přidaný materiál mohou pomoci vytvořit užitečné chemikálie i pro život. Skalní materiál z jádra dopadajícího těla se také může dostat do vnější atmosféry. To znamená, že můžeme pozorovat určité stopové prvky, které by mohly být indikátory podobných dopadů, pokud bychom je pozorovali v atmosféře exoplanetu.

Spousta otázek zůstává o Uranu a obří dopady obecně. I když jsou naše simulace stále podrobnější, stále se máme co učit. Mnoho lidí proto volá po nové misi do Uranu a Neptunu, aby studovali jejich podivná magnetická pole, jejich nepředvídatelné rodiny měsíců a prstenů, a dokonce i to, co vlastně dělají.

Velmi rád bych to viděl. Kombinace pozorování, teoretických modelů a počítačových simulací nám nakonec pomůže pochopit nejen Uran, ale i nesčetné planety, které naplňují náš vesmír a jak se staly.

Tento článek byl původně publikován na Konverzaci Jacoba Kegerreise. Přečtěte si originální článek zde.