Urano es posiblemente el planeta más misterioso del sistema solar; sabemos muy poco sobre él. Hasta aquí, solo hemos visitado el planeta una vez, con la nave espacial Voyager 2 en 1986. Lo extraño más obvio de este gigante de hielo es el hecho de que está girando de lado.

A diferencia de todos los demás planetas, que giran aproximadamente "en posición vertical" con sus ejes de giro casi en ángulo recto con sus órbitas alrededor del sol, Urano está inclinado casi en ángulo recto. Entonces en su verano el polo norte apunta casi directamente hacia el sol. Y a diferencia de Saturno, Júpiter y Neptuno, que tienen conjuntos horizontales de anillos a su alrededor, Urano tiene anillos verticales y lunas que orbitan alrededor de su ecuador inclinado.

El gigante de hielo también tiene una temperatura sorprendentemente fría y un campo magnético desordenado y descentrado. a diferencia de la pulcra forma de imán de barra de la mayoría de los otros planetas como la Tierra o Júpiter. Por lo tanto, los científicos sospechan que Urano alguna vez fue similar a los otros planetas del sistema solar, pero de repente se dio la vuelta. ¿Entonces qué pasó? Nuestra nueva investigación, publicado en el Diario astrofísico y presentado en una reunión de la American Geophysical Union, ofrece una pista.

Colisión cataclísmica

Nuestro sistema solar solía ser un lugar mucho más violento, con protoplanetas (cuerpos que se desarrollan para convertirse en planetas) chocando en violentos impactos gigantes que ayudaron a crear los mundos que vemos hoy. La mayoría de los investigadores creen que el giro de Urano es la consecuencia de una colisión dramática. Nos propusimos descubrir cómo pudo haber sucedido.

Queríamos estudiar los impactos gigantes en Urano para ver exactamente cómo tal colisión podría haber afectado la evolución del planeta. Desafortunadamente, no podemos (todavía) construir dos planetas en un laboratorio y aplastarlos para ver qué sucede realmente. En lugar de, Ejecutamos modelos de computadora simulando los eventos usando una poderosa supercomputadora como la mejor opción.

La idea básica era modelar los planetas en colisión con millones de partículas en la computadora, cada uno representa un trozo de material planetario. Le damos a la simulación las ecuaciones que describen cómo funcionan la física como la gravedad y la presión del material, para que pueda calcular cómo evolucionan las partículas con el tiempo cuando chocan entre sí. De esta manera podemos estudiar incluso los resultados fantásticamente complicados y desordenados de un impacto gigante. Otro beneficio de usar simulaciones por computadora es que tenemos un control total. Podemos probar una amplia variedad de escenarios de impacto diferentes y explorar la gama de posibles resultados.

Nuestras simulaciones (ver arriba) muestran que un cuerpo al menos dos veces más masivo que la Tierra podría crear fácilmente el extraño giro que tiene Urano hoy al chocar y fusionarse con un planeta joven. Para más colisiones de pastoreo, El material del cuerpo impactante probablemente terminaría esparcido en una delgada, caparazón caliente cerca del borde de la capa de hielo de Urano, debajo de la atmósfera de hidrógeno y helio.

Esto podría inhibir la mezcla de material dentro de Urano, atrapando el calor de su formación en el interior. Emocionantemente esta idea parece encajar con la observación de que el exterior de Urano es tan frío hoy. La evolución térmica es muy complicada, pero al menos está claro cómo un impacto gigante puede remodelar un planeta tanto por dentro como por fuera.

Super cálculos

La investigación también es interesante desde una perspectiva computacional. Al igual que el tamaño de un telescopio, el número de partículas en una simulación limita lo que podemos resolver y estudiar. Sin embargo, simplemente intentar usar más partículas para permitir nuevos descubrimientos es un serio desafío computacional, lo que significa que lleva mucho tiempo incluso en una computadora potente.

Nuestras últimas simulaciones utilizan partículas de más de 100 m, alrededor de 100-1, 000 veces más que la mayoría de los estudios actuales. Además de crear algunas imágenes y animaciones impresionantes de cómo ocurrió el impacto gigante, esto abre todo tipo de nuevas cuestiones científicas que ahora podemos empezar a abordar.

Esta mejora se debe a SWIFT, un nuevo código de simulación que diseñamos para aprovechar al máximo las "supercomputadoras" contemporáneas. Básicamente, se trata de muchas computadoras normales conectadas entre sí. Entonces, ejecutar una gran simulación depende rápidamente de dividir los cálculos entre todas las partes de la supercomputadora.

SWIFT calcula cuánto tiempo tomará cada tarea de computación en la simulación e intenta compartir cuidadosamente el trabajo de manera uniforme para lograr la máxima eficiencia. Como un gran telescopio nuevo este salto a 1, Una resolución 000 veces mayor revela detalles que nunca antes habíamos visto.

Exoplanetas y más allá

Además de aprender más sobre la historia específica de Urano, otra motivación importante es comprender la formación de planetas de manera más general. En años recientes, Hemos descubierto que el tipo más común de exoplanetas (planetas que orbitan alrededor de estrellas distintas de nuestro sol) son bastante similares a Urano y Neptuno. Entonces, todo lo que aprendemos sobre la posible evolución de nuestros propios gigantes de hielo alimenta nuestra comprensión de sus primos lejanos y la evolución de mundos potencialmente habitables.

Un detalle interesante que estudiamos y que es muy relevante para la cuestión de la vida extraterrestre es el destino de una atmósfera después de un impacto gigante. Nuestras simulaciones de alta resolución revelan que parte de la atmósfera que sobrevive a la colisión inicial aún puede ser eliminada por el subsiguiente abultamiento violento del planeta. La falta de atmósfera hace que sea mucho menos probable que un planeta albergue vida. Entonces otra vez tal vez la entrada masiva de energía y el material agregado también podrían ayudar a crear químicos útiles para la vida. El material rocoso del núcleo del cuerpo impactante también puede mezclarse con la atmósfera exterior. Esto significa que podemos buscar ciertos elementos traza que podrían ser indicadores de impactos similares si los observamos en la atmósfera de un exoplaneta.

Quedan muchas preguntas sobre Urano, e impactos gigantes en general. Aunque nuestras simulaciones son cada vez más detalladas, todavía tenemos mucho que aprender. Por lo tanto, muchas personas están pidiendo una nueva misión a Urano y Neptuno para estudiar sus extraños campos magnéticos. sus extravagantes familias de lunas y anillos e incluso simplemente de qué están hechos precisamente.

Me gustaría mucho que eso sucediera. La combinación de observaciones, Los modelos teóricos y las simulaciones por computadora nos ayudarán en última instancia a comprender no solo a Urano, sino la miríada de planetas que llenan nuestro universo y cómo llegaron a existir.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.