Uranus is misschien wel de meest mysterieuze planeet in het zonnestelsel - we weten er heel weinig van. Tot dusver, we hebben 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 hij op zijn kant draait.

In tegenstelling tot alle andere planeten, die ongeveer "rechtop" draaien met hun spin-assen bijna loodrecht op hun banen rond de zon, Uranus staat bijna een rechte hoek gekanteld. Dus in de zomer, de noordpool wijst bijna direct naar de zon. En in tegenstelling tot Saturnus, Jupiter en Neptunus, die horizontale sets ringen om zich heen hebben, Uranus heeft verticale ringen en manen die rond zijn gekantelde evenaar draaien.

De ijsreus heeft ook een verrassend koude temperatuur en een rommelig en niet-gecentreerd magnetisch veld, in tegenstelling tot de nette staafmagneetvorm van de meeste andere planeten zoals de aarde of Jupiter. Wetenschappers vermoeden daarom dat Uranus ooit leek op de andere planeten in het zonnestelsel, maar plotseling werd omgedraaid. Dus wat gebeurde er? Ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift en gepresenteerd op een bijeenkomst van de American Geophysical Union, biedt een aanwijzing.

Catastrofale botsing

Ons zonnestelsel was vroeger een veel gewelddadiger plek, met protoplaneten (lichamen die zich ontwikkelen om planeten te worden) botsen in gewelddadige gigantische inslagen die hebben bijgedragen aan het creëren van de werelden die we vandaag zien. De meeste onderzoekers geloven dat de spin van Uranus het gevolg is van een dramatische botsing. We gingen op onderzoek uit hoe het had kunnen gebeuren.

We wilden gigantische inslagen op Uranus bestuderen om precies te zien hoe zo'n botsing de evolutie van de planeet had kunnen beïnvloeden. Helaas, we kunnen (nog) geen twee planeten in een lab bouwen en ze tegen elkaar slaan om te zien wat er werkelijk gebeurt. In plaats daarvan, we hebben computermodellen gebruikt die de gebeurtenissen simuleerden met behulp van een krachtige supercomputer als op één na beste.

Het basisidee was om de botsende planeten met miljoenen deeltjes in de computer te modelleren, die elk een klomp planetair materiaal vertegenwoordigen. We geven de simulatie de vergelijkingen die beschrijven hoe fysica zoals zwaartekracht en materiaaldruk werken, dus het kan berekenen hoe de deeltjes met de tijd evolueren als 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 breed scala aan verschillende impactscenario's testen en het scala aan mogelijke uitkomsten verkennen.

Onze simulaties (zie hierboven) laten zien dat een lichaam dat minstens twee keer zo zwaar is als de aarde, gemakkelijk de vreemde spin kan creëren die Uranus tegenwoordig heeft door in te slaan op en samen te smelten met een jonge planeet. Voor meer begrazingsbotsingen, het materiaal van het botsende lichaam zou waarschijnlijk in een dunne, hete schelp nabij de rand van de ijslaag van Uranus, onder de waterstof- en heliumatmosfeer.

Dit zou de vermenging van materiaal in Uranus kunnen belemmeren, het vasthouden van de warmte van zijn formatie diep van binnen. Opwindend, dit idee lijkt te passen bij de observatie dat de buitenkant van Uranus tegenwoordig zo koud is. Thermische evolutie is erg ingewikkeld, maar het is in ieder geval duidelijk hoe een gigantische inslag een planeet zowel van binnen als van buiten kan hervormen.

Superberekeningen

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

Onze nieuwste simulaties gebruiken meer dan 100 miljoen deeltjes, ongeveer 100-1, 000 keer meer dan de meeste andere onderzoeken die tegenwoordig worden gebruikt. Naast het maken van enkele verbluffende foto's en animaties van hoe de gigantische impact gebeurde, dit opent allerlei nieuwe wetenschappelijke vragen die we nu kunnen aanpakken.

Deze verbetering is te danken aan SWIFT, een nieuwe simulatiecode die we hebben ontworpen om volledig te profiteren van hedendaagse "supercomputers". Dit zijn in feite veel normale computers die met elkaar zijn verbonden. Dus, het snel uitvoeren van een grote simulatie is afhankelijk van het verdelen van de berekeningen over alle onderdelen van de supercomputer.

SWIFT schat in hoe lang elke computertaak in de simulatie zal duren en probeert het werk zorgvuldig gelijkmatig te verdelen voor maximale efficiëntie. Net als een grote nieuwe telescoop, deze sprong naar 1, Een 000 keer hogere resolutie onthult details die we nog nooit eerder hebben gezien.

Exoplaneten en verder

Naast het leren van meer over de specifieke geschiedenis van Uranus, een andere belangrijke motivatie is om de vorming van planeten meer in het algemeen te begrijpen. In recente jaren, we hebben ontdekt dat het meest voorkomende type exoplaneten (planeten die om andere sterren dan onze zon draaien) vrij veel lijken op Uranus en Neptunus. Dus alles wat we leren over de mogelijke evolutie van onze eigen ijsreuzen, voedt ons begrip van hun verre neven en de evolutie van potentieel bewoonbare werelden.

Een spannend 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 inslag. Onze simulaties met hoge resolutie laten zien dat een deel van de atmosfeer die de eerste botsing overleeft, nog steeds kan worden verwijderd door de daaropvolgende gewelddadige uitpuiling van de planeet. Door het ontbreken van een atmosfeer is de kans op leven op een planeet veel kleiner. Nogmaals, misschien kunnen de enorme energie-input en het toegevoegde materiaal ook helpen bij het creëren van nuttige chemicaliën voor het leven. Rotsachtig materiaal uit de kern van het botsende lichaam kan ook in de buitenatmosfeer terechtkomen. Dit betekent dat we op zoek kunnen gaan naar bepaalde sporenelementen die indicatoren kunnen zijn voor vergelijkbare effecten als we ze in de atmosfeer van een exoplaneet waarnemen.

Er blijven veel vragen over Uranus, en gigantische effecten in het algemeen. Hoewel onze simulaties gedetailleerder worden, we hebben nog veel te leren. Veel mensen roepen daarom op tot een nieuwe missie naar Uranus en Neptunus om hun vreemde magnetische velden te bestuderen, hun eigenzinnige families van manen en ringen en zelfs gewoon waar ze precies van gemaakt zijn.

Dat zou ik heel graag zien gebeuren. De combinatie van waarnemingen, theoretische modellen en computersimulaties zullen ons uiteindelijk helpen om niet alleen Uranus, maar de talloze planeten die ons universum vullen en hoe ze zijn ontstaan.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.