Uranus Science: Com va acabar el planeta del gel gegant?

Uranus és, sens dubte, el planeta més misteriós del sistema solar: ho sabem molt poc. Fins ara, només hem visitat el planeta una vegada, amb la nau espacial Voyager 2 el 1986. El més evident d’aquest gegant de gel és el fet que gira al seu costat.

A diferència de tots els altres planetes, que giren aproximadament "verticals" amb els seus eixos de gir pròxims a angles rectes de les seves òrbites al voltant del sol, Urà està inclinat gairebé amb un angle recte. Així, a l'estiu, el pol nord apunta gairebé directament cap al sol. I a diferència de Saturn, Júpiter i Neptú, que tenen uns anells horitzontals al voltant d'ells, Urà té anells i llunes verticals que orbiten al voltant del seu equador inclinat.

Vegeu també: Uranus és, literalment, una fàbrica de pet - i, sens dubte, us mataria

El gegant del gel també té una temperatura sorprenentment freda i un camp magnètic desordenat i desfasat, a diferència de la forma impresa de la majoria de planetes com la Terra o Júpiter. Els científics, per tant, sospiten que Urano va ser una vegada similar als altres planetes del sistema solar, però va ser sobtadament envoltat. Llavors què va passar? La nostra nova investigació, publicada al Astrophysical Journal i presentat en una reunió de la American Geophysical Union, ofereix una pista.

Col·lisió cataclísmica

El nostre sistema solar solia ser un lloc molt més violent, amb protoplanets (cossos que es desenvolupaven per convertir-se en planetes) xocar en violents impactes gegants que van ajudar a crear els mons que veiem avui. La majoria dels investigadors creuen que el gir d’Urà és la conseqüència d’una dramàtica col·lisió. Ens vam proposar descobrir com podia passar.

Vam voler estudiar els impactes gegants a Urà per veure exactament com podia haver afectat aquesta col·lisió a l’evolució del planeta. Malauradament, no podem (encara) construir dos planetes en un laboratori i fer-los junts per veure què passa realment. Al contrari, vam executar models d’ordinador que simulaven els esdeveniments utilitzant un superordenador poderós com el següent.

La idea bàsica era modelar els planetes que xoquen amb milions de partícules a l’ordinador, cadascun representant un fragment de material planetari. Donem a la simulació les equacions que descriuen com funcionen la física com la gravetat i la pressió material, de manera que pot calcular com evolucionen les partícules amb el temps a mesura que es xoquen entre elles. D'aquesta manera, podem estudiar fins i tot els resultats fantàsticament complicats i desordenats d'un gran impacte. Un altre avantatge de l’ús de simulacions per ordinador és que tenim el control total. Podem provar una àmplia varietat d’escenaris d’impacte i explorar l’abast de possibles resultats.

Les nostres simulacions (vegeu més amunt) mostren que un cos almenys el doble de massiu que la Terra podria crear fàcilment l’estrany gir d’Uranus en fer-se un cop i fusionar-se amb un planeta jove. Per a més col·lisions en pasturatge, el material del cos impactant probablement acabaria estès en una closca fina i calenta propera a la vora de la capa de gel de Urano, sota l'atmosfera d'hidrogen i heli.

Això podria inhibir la barreja de material dins d'Urà, atrapant la calor de la seva formació a l'interior. Emocionant, aquesta idea sembla encaixar amb l’observació que l’exterior d’Urà és tan fred avui. L'evolució tèrmica és molt complicada, però almenys és clar com un impacte gegant pot reformar un planeta tant a l'interior com a l'exterior.

Computacions Super

La investigació també és emocionant des d'una perspectiva computacional. Igual que la mida d’un telescopi, el nombre de partícules d’una simulació limita el que podem resoldre i estudiar. Tanmateix, simplement intentar utilitzar més partícules per habilitar nous descobriments és un seriós repte computacional, el que significa que es necessita molt de temps fins i tot en un equip potent.

Les nostres últimes simulacions utilitzen més de 100m de partícules, uns 100-1.000 vegades més que la majoria d’altres estudis que utilitzen avui. A més de fer algunes imatges impressionants i animacions sobre com va passar l’impacte gegant, això obre tot tipus de noves qüestions científiques que ara podem començar a abordar.

Aquesta millora és gràcies a SWIFT, un nou codi de simulació que vam dissenyar per aprofitar al màxim els "supercomputadors" contemporanis. Són bàsicament molts ordinadors normals units entre si. Així, executar una gran simulació es basa ràpidament en dividir els càlculs entre totes les parts del superordinador.

SWIFT calcula quant de temps durà a terme cada tasca d’informàtica de la simulació i intentarà compartir el treball amb cura per obtenir la màxima eficiència. Igual que un telescopi gran, aquest salt a 1.000 vegades la resolució més alta revela detalls que mai hem vist abans.

Exoplanetes i més enllà

A més d’aprendre més sobre la història específica d’Urà, una altra motivació important és entendre la formació del planeta de manera més general. En els darrers anys, hem descobert que el tipus d’exoplanetes més freqüent (planetes que orbiten altres estrelles que el nostre sol) són bastant similars a Urà i Neptú. Així, tot el que aprenem sobre la possible evolució dels nostres propis gegants de gel s’alimenta de la nostra comprensió dels seus primers llunyans i de l’evolució de mons potencialment habitables.

Un dels detalls emocionants que vam estudiar i que és molt rellevant per a la qüestió de la vida extraterrestre és el destí d’una atmosfera després d’un gran impacte. Les nostres simulacions d'alta resolució revelen que algunes de les atmosferes que sobreviu a la col·lisió inicial encara es poden esborrar per la conseqüent inflor violenta del planeta. La manca d’atmosfera fa que un planeta tingui menys possibilitats de viure. D'altra banda, potser la gran aportació d'energia i el material afegit podrien ajudar a crear productes químics útils per a la vida també. El material rocós del nucli del cos impactant també es pot barrejar amb l'atmosfera exterior. Això vol dir que podem buscar certs oligoelements que puguin ser indicadors d’impactes similars si els observem en l’atmosfera d’un exoplaneta.

Hi ha moltes preguntes sobre Urano i els impactes gegants en general. Tot i que les nostres simulacions es detallen, encara ens queda molt per aprendre. Per tant, moltes persones demanen una nova missió a Urà i Neptú per estudiar els seus estranys camps magnètics, les seves peculiars famílies de llunes i anells, i fins i tot simplement de què són realment realment.

M'agradaria molt veure això succeir. La combinació d’observacions, models teòrics i simulacions per ordinador ens ajudarà a entendre no només Urano, sinó la infinitat de planetes que omplen el nostre univers i com van arribar a ser-ho.

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation by Jacob Kegerreis. Llegiu l'article original aquí.