Uranus-Wissenschaft: Wie kam es, dass der riesige Eisplanet auf seiner Seite stand?

Uranus ist wohl der geheimnisvollste Planet im Sonnensystem - wir wissen sehr wenig darüber. Bisher haben wir den Planeten nur einmal mit dem Voyager-2-Raumschiff im Jahr 1986 besucht. Das Offensichtlichste an diesem Eisriesen ist die Tatsache, dass er sich auf seiner Seite dreht.

Im Gegensatz zu allen anderen Planeten, die sich mit ihren Spinachsen ungefähr im rechten Winkel zu ihren Umlaufbahnen um die Sonne drehen, ist der Uranus fast um einen rechten Winkel geneigt. Der Nordpol zeigt also im Sommer fast direkt auf die Sonne. Im Gegensatz zu Saturn, Jupiter und Neptun, bei denen horizontale Ringe angeordnet sind, hat Uranus vertikale Ringe und Monde, die um seinen geneigten Äquator kreisen.

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Der Eisriese hat auch eine überraschend kalte Temperatur und ein unordentliches und außermittiges Magnetfeld, im Gegensatz zu der ordentlichen Stabmagnetform der meisten anderen Planeten wie der Erde oder dem Jupiter. Wissenschaftler vermuten daher, dass Uranus einst den anderen Planeten im Sonnensystem ähnlich war, aber plötzlich umgedreht wurde. Also was ist passiert? Unsere neue Forschung, veröffentlicht im Astrophysical Journal und auf einem Treffen der American Geophysical Union präsentiert, bietet einen Hinweis.

Katastrophaler Zusammenstoß

Unser Sonnensystem war früher ein viel gewalttätigerer Ort. Protoplaneten (Körper, die sich zu Planeten entwickeln) kollidieren mit gewaltigen gewaltigen Einschlägen, die dazu beigetragen haben, die Welten zu schaffen, die wir heute sehen. Die meisten Forscher glauben, dass der Spin von Uranus die Folge einer dramatischen Kollision ist. Wir wollten herausfinden, wie es hätte passieren können.

Wir wollten riesige Auswirkungen auf Uranus untersuchen, um genau zu sehen, wie eine solche Kollision die Entwicklung des Planeten beeinflusst haben könnte. Leider können wir (noch) nicht zwei Planeten in einem Labor bauen und sie zusammenbrechen, um zu sehen, was wirklich passiert. Stattdessen haben wir Computermodelle zur Simulation der Ereignisse mit einem leistungsfähigen Supercomputer als nächstbester Sache ausgeführt.

Die Grundidee bestand darin, die kollidierenden Planeten mit Millionen von Teilchen im Computer zu modellieren, die jeweils einen Klumpen Planetenmaterial darstellen. Wir geben der Simulation die Gleichungen, die beschreiben, wie Physik wie die Schwerkraft und der Materialdruck funktionieren, so dass sie berechnen kann, wie sich die Teilchen mit der Zeit entwickeln, wenn sie ineinander stoßen. Auf diese Weise können wir sogar die fantastisch komplizierten und unordentlichen Ergebnisse eines riesigen Einflusses untersuchen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Computersimulationen ist, dass wir die volle Kontrolle haben. Wir können eine Vielzahl unterschiedlicher Auswirkungsszenarien testen und die Bandbreite möglicher Ergebnisse untersuchen.

Unsere Simulationen (siehe oben) zeigen, dass ein Körper, der mindestens doppelt so massiv ist wie die Erde, leicht den merkwürdigen Spin erzeugen könnte, den Uranus heute hat, indem er auf einen jungen Planeten schlägt und mit ihm verschmilzt. Bei mehr Weidenkollisionen würde das aufprallende Körpermaterial wahrscheinlich in einer dünnen, heißen Hülle nahe der Kante der Uranus-Eisschicht unter der Wasserstoff- und Heliumatmosphäre ausgebreitet sein.

Dies könnte das Mischen von Material im Uranus verhindern und die Wärme aus seiner Bildung im Inneren einfangen. Aufregend scheint diese Idee zu der Beobachtung zu passen, dass das Äußere von Uranus heute so kalt ist. Die thermische Entwicklung ist sehr kompliziert, aber es ist zumindest klar, wie ein riesiger Aufprall einen Planeten nach innen und außen umformen kann.

Super Berechnungen

Die Forschung ist auch aus rechnerischer Sicht spannend. Ähnlich wie bei der Größe eines Teleskops begrenzt die Anzahl der Partikel in einer Simulation, was wir auflösen und studieren können. Wenn Sie jedoch einfach mehr Partikel verwenden, um neue Entdeckungen zu ermöglichen, ist dies eine große Herausforderung, da es selbst auf einem leistungsstarken Computer sehr lange dauert.

Unsere neuesten Simulationen verwenden über 100 m Partikel, etwa 100-1000 Mal mehr als die meisten anderen Studien, die heute verwendet werden. Dies bietet nicht nur atemberaubende Bilder und Animationen über die Auswirkungen des gigantischen Einflusses, sondern eröffnet auch alle möglichen neuen wissenschaftlichen Fragen, mit denen wir uns jetzt beschäftigen können.

Diese Verbesserung ist SWIFT zu verdanken, einem neuen Simulationscode, den wir entwickelt haben, um die Vorteile moderner „Supercomputer“ voll auszuschöpfen. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um viele normale Computer, die miteinander verbunden sind. Um eine große Simulation durchzuführen, müssen Sie die Berechnungen schnell auf alle Teile des Supercomputers aufteilen.

SWIFT schätzt, wie lange jede Rechenaufgabe in der Simulation dauern wird, und versucht, die Arbeit gleichmäßig zu teilen, um maximale Effizienz zu erreichen. Wie ein großes neues Teleskop zeigt dieser Sprung auf eine 1.000-fach höhere Auflösung Details, die wir noch nie zuvor gesehen haben.

Exoplaneten und darüber hinaus

Eine weitere wichtige Motivation besteht darin, mehr über die spezifische Geschichte des Uranus zu erfahren. In den letzten Jahren haben wir entdeckt, dass die häufigsten Exoplaneten (Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen) den Uranus und Neptun sehr ähnlich sind. Alles, was wir über die mögliche Entwicklung unserer eigenen Eisriesen lernen, speist sich somit in unser Verständnis ihrer weit entfernten Cousins ​​und die Entwicklung potenziell bewohnbarer Welten ein.

Ein aufregendes Detail, das wir untersucht haben und das für die Frage des außerirdischen Lebens von großer Bedeutung ist, ist das Schicksal einer Atmosphäre nach einem riesigen Aufprall. Unsere hochauflösenden Simulationen zeigen, dass ein Teil der Atmosphäre, die die anfängliche Kollision überlebt, durch die anschließende gewaltsame Ausbuchtung des Planeten noch beseitigt werden kann. Das Fehlen einer Atmosphäre führt dazu, dass ein Planet das Leben seltener beherbergt. Andererseits könnte der massive Energieeintrag und das hinzugefügte Material möglicherweise auch dazu beitragen, nützliche Chemikalien für das Leben zu schaffen. Felsiges Material aus dem aufprallenden Körperkern kann auch in die äußere Atmosphäre gemischt werden. Das bedeutet, dass wir nach bestimmten Spurenelementen suchen können, die Anzeichen für ähnliche Auswirkungen sein könnten, wenn wir sie in der Atmosphäre eines Exoplaneten beobachten.

Es gibt viele Fragen zu Uranus und generell zu gewaltigen Auswirkungen. Obwohl unsere Simulationen detaillierter werden, haben wir noch viel zu lernen. Viele Menschen fordern daher eine neue Mission nach Uranus und Neptun, um ihre merkwürdigen Magnetfelder, ihre schrulligen Monden und Ringe zu untersuchen und sogar, woraus sie eigentlich bestehen.

Ich würde das sehr gerne sehen. Die Kombination von Beobachtungen, theoretischen Modellen und Computersimulationen wird uns letztendlich helfen, nicht nur Uranus zu verstehen, sondern auch die unzähligen Planeten, die unser Universum füllen und wie sie entstanden sind.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Jacob Kegerreis veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.