Table of Contents
Уран, пожалуй, самая загадочная планета в Солнечной системе — люди очень мало знают о ней. Пока что человечество посетило планету только один раз, с космическим кораблем Voyager 2 в 1986 году. Самая очевидная странная вещь в этом ледяном гиганте — тот факт, что он вращается под уклоном по отношению к Солнцу.
ИА «Экспресс-Новости» напоминает читателю, что, в отличие от всех других планет, которые вращаются примерно «вертикально» с осями под прямым углом к своим орбитам вокруг Солнца, Уран наклонен почти на прямой угол. Таким образом, летом северный полюс почти прямо обращен к Солнцу. И, в отличие от Сатурна, Юпитера и Нептуна, которые имеют горизонтальные кольца вокруг себя, у Урана есть вертикальные кольца и луны, которые вращаются вокруг своего наклонного экватора.
Ледяной гигант также имеет удивительно низкую температуру, а также нецентральное магнитное поле, в отличие от аккуратной формы стержневого магнита большинства других планет, таких как Земля или Юпитер. Поэтому ученые подозревают, что Уран когда-то был похож на другие планеты Солнечной системы, но внезапно перевернулся. Так что же случилось? Новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal и представленное на заседании Американского геофизического союза, предлагает подсказку.
Катаклизм столкновения
Раньше наша Солнечная система была гораздо более «густонаселенным» местом: протопланеты (тела, развивающиеся, чтобы стать планетами) сталкивались с мощными гигантскими ударами, что помогло создать миры, которые мы видим сегодня. Большинство исследователей считают, что вращение Урана является следствием драматического столкновения. И вот ученые решили выяснить, как это могло произойти.
Как стало известно ИА «Экспресс-новости», изначально ученые хотели изучить гигантские воздействия на Уран, чтобы точно понять, как такое столкновение могло повлиять на эволюцию планеты. Однако на данный момент у них нет возможности (пока) построить две планеты в лаборатории и разбить их вместе, чтобы увидеть, что на самом деле происходит. Вместо этого, исследователи запустили компьютерные модели, имитирующие события, используя для этого мощный суперкомпьютер.
Основная идея состояла в том, чтобы смоделировать сталкивающиеся планеты с миллионами частиц, каждая из которых представляет собой кусок планетарного материала. Были даны симуляции уравнения, которые описывают, как работает физика, а именно, гравитация и давление материала, чтобы рассчитать, как частицы эволюционируют со временем, когда они сталкиваются друг с другом. Таким образом, были изучены даже фантастически сложные результаты гигантского воздействия. Еще одним преимуществом использования компьютерного моделирования является то, что оно дает полный контроль. Ученые смогли протестировать множество различных сценариев воздействия и изучить диапазон возможных результатов.
Моделирование показывает, что тело, по крайней мере, вдвое массивнее, чем Земля, могло бы легко создать тот странный уклон орбиты, который сегодня имеет Уран, врезаясь в молодую планету и сливаясь с ней. Для более сильных столкновений материал ударного тела, вероятно, в конечном итоге будет распространяться в тонкой горячей оболочке у края ледяного слоя Урана, под атмосферой водорода и гелия.
Это может препятствовать смешиванию материала внутри Урана, удерживая тепло от его образования глубоко внутри. Захватывающе, но эта идея, кажется, согласуется с наблюдением, что внешность Урана сегодня настолько холодна. Тепловая эволюция очень сложна, но, по крайней мере, ясно, как гигантское воздействие может изменить планету, как внутри, так и снаружи.
Супер вычисления
Исследование также интересно с вычислительной точки зрения. Как и размер телескопа, количество частиц в симуляции ограничивает то, что можно разрешить и изучить. Однако простая попытка использовать больше частиц для обеспечения новых открытий является серьезной вычислительной задачей. А это значит, что даже на мощном компьютере это займет много времени.
В своих последних исследованиях ученые использовали частицы размером более 100 м, что примерно в 100-1000 раз больше, чем в большинстве других современных исследований. Помимо создания потрясающих картинок и анимаций о том, как произошло гигантское воздействие, это открывает всевозможные новые научные вопросы, которые теперь можно решать.
Это улучшение стало возможным, благодаря SWIFT — новому коду симуляции, который был специально разработан, чтобы в полной мере использовать преимущества современных «суперкомпьютеров». В основном, это множество обычных компьютеров, соединенных вместе. Таким образом, выполнение большой симуляции быстро зависит от разделения вычислений между всеми частями суперкомпьютера.
SWIFT оценивает, сколько времени займет выполнение каждой вычислительной задачи в симуляции, и пытается аккуратно распределить работу равномерно для максимальной эффективности. Подобно большому новому телескопу, этот скачок в 1000 раз выше разрешения раскрывает детали, которые мы никогда не видели раньше.
Экзопланеты и не только
Наряду с изучением конкретной истории Урана, другой важной мотивацией является понимание формирования планеты в целом. В последние годы ученые обнаружили, что наиболее распространенный тип экзопланет (планет, которые вращаются вокруг звезд, отличных от нашего Солнца) очень похож на Уран и Нептун. Таким образом, все, что мы узнаем о возможной эволюции наших собственных ледяных гигантов, способствует нашему пониманию их дальних родственников и эволюции потенциально обитаемых миров.
Одна интересная деталь, которую исследователи изучили и которая очень актуальна для вопроса о внеземной жизни, — это судьба атмосферы после гигантского удара. Моделирование с высоким разрешением показывает, что часть атмосферы, которая выживает при первоначальном столкновении, все еще может быть удалена последующим сильным выпучением планеты. А отсутствие атмосферы делает планету намного менее пригодной для жизни. Опять же, возможно, огромные затраты энергии и добавленный материал могут помочь создать полезные химические вещества для жизни. Скальный материал из ядра ударного тела также может смешиваться с внешней атмосферой. Это означает, что мы можем искать определенные микроэлементы, которые могут быть индикаторами аналогичного воздействия, если мы наблюдаем их в атмосфере экзопланеты.
Остается много вопросов об Уране и о гигантских последствиях в целом. Несмотря на то, что симуляции становятся более подробными, еще многое предстоит узнать. Поэтому многие люди призывают к новой миссии на Уран и Нептун, чтобы изучить их странные магнитные поля, их причудливые семейства лун и колец и даже просто, из чего именно они на самом деле сделаны.
ИА «Экспресс-Новости» очень хотело бы, чтобы это произошло. Комбинация наблюдений, теоретических моделей и компьютерных симуляций, в конечном итоге, поможет нам понять не только Уран, но и множество планет, которые заполняют нашу Вселенную, и то, как они появились.#Уран #Орбита #Отклонение #Космос #Столкновение #Исследования #Ученые
