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Wir finden endlich heraus, wie Uranus auf seine Seite geriet

2021

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

Im Gegensatz zu allen anderen Planeten, die sich ungefähr „aufrecht“ drehen, wobei sich ihre Drehachsen im rechten Winkel zu ihren Umlaufbahnen um die Sonne befinden, ist Uranus um fast einen rechten Winkel geneigt. So zeigt der Nordpol im Sommer fast direkt in Richtung Sonne. Und im Gegensatz zu Saturn, Jupiter und Neptun, die horizontale Ringe tragen, hat Uranus vertikale Ringe und Monde, die um seinen geneigten Äquator kreisen.

Der Eisriese hat auch eine überraschend kalte Temperatur und ein unordentliches und außermittiges Magnetfeld, anders als die ordentliche Stabmagnetform der meisten anderen Planeten wie Erde oder Jupiter. Wissenschaftler vermuten daher, dass Uranus einst den anderen Planeten des Sonnensystems ähnlich war, aber plötzlich umgedreht wurde. Also was ist passiert? Unsere neuen Forschungsergebnisse, die im Astrophysical Journal veröffentlicht und auf einem Treffen der American Geophysical Union vorgestellt wurden, liefern einen Hinweis.

Früher war unser Sonnensystem ein viel gewalttätigerer Ort. Protoplaneten (Körper, die sich zu Planeten entwickeln) kollidierten in gewaltigen Rieseneinschlägen, die dazu beitrugen, die Welten zu erschaffen, 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 die riesigen Auswirkungen auf Uranus untersuchen, um genau zu sehen, wie sich eine solche Kollision auf die Evolution des Planeten ausgewirkt haben könnte. Leider können wir (noch) nicht zwei Planeten in einem Labor bauen und sie zusammenschlagen, um zu sehen, was wirklich passiert. Stattdessen ließen wir Computermodelle laufen, die die Ereignisse simulierten, wobei wir einen leistungsfähigen Supercomputer als das nächstbeste verwendeten.

Die Grundidee war, die kollidierenden Planeten mit Millionen von Partikeln im Computer zu modellieren, die jeweils einen Klumpen planetaren Materials darstellen. Wir geben der Simulation die Gleichungen, die beschreiben, wie Physik wie Schwerkraft und Materialdruck funktionieren, damit berechnet werden kann, wie sich die Teilchen mit der Zeit entwickeln, wenn sie ineinander stoßen. Auf diese Weise können wir sogar die fantastisch komplizierten und chaotischen Ergebnisse eines riesigen Aufpralls untersuchen. Ein weiterer Vorteil von Computersimulationen ist, dass wir die volle Kontrolle haben. Wir können eine Vielzahl verschiedener Auswirkungsszenarien testen und die Bandbreite möglicher Ergebnisse untersuchen.

Unsere Simulationen (siehe oben) zeigen, dass ein Körper, der mindestens doppelt so massereich ist wie die Erde, den seltsamen Spin erzeugen kann, den Uranus heute hat, wenn er auf einen jungen Planeten trifft und mit ihm verschmilzt. Bei heftigeren Kollisionen würde sich das Material des Aufprallkörpers wahrscheinlich in einer dünnen, heißen Schale nahe dem Rand der Uranus-Eisschicht unter der Wasserstoff- und Heliumatmosphäre ausbreiten.

Dies könnte das Vermischen von Material im Inneren von Uranus verhindern und die Wärme aus seiner Bildung tief im Inneren einfangen. Aufregenderweise scheint diese Idee mit der Beobachtung übereinzustimmen, 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 sowohl von innen als auch von außen verändern kann.

Die Forschung ist auch aus rechnerischer Sicht spannend. Ähnlich wie die Größe eines Teleskops begrenzt die Anzahl der Partikel in einer Simulation, was wir auflösen und untersuchen können. Der einfache Versuch, mehr Partikel zu verwenden, um neue Entdeckungen zu ermöglichen, ist jedoch eine ernsthafte rechnerische Herausforderung. Dies bedeutet, dass selbst auf einem leistungsstarken Computer viel Zeit erforderlich ist.

Unsere neuesten Simulationen verwenden über 100 m Partikel, etwa 100-1000-mal mehr als die meisten anderen Studien, die heute verwendet werden. Dies liefert nicht nur einige beeindruckende Bilder und Animationen, die zeigen, wie sich der gigantische Aufprall ereignet hat, sondern wirft auch alle möglichen neuen wissenschaftlichen Fragen auf, mit denen wir uns nun befassen können.

Diese Verbesserung ist SWIFT zu verdanken, einem neuen Simulationscode, den wir entwickelt haben, um die Vorteile moderner "Supercomputer" voll auszuschöpfen. Dies sind im Grunde viele normale Computer, die miteinander verbunden sind. Wenn Sie also eine große Simulation ausführen möchten, 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 verteilen, um maximale Effizienz zu erzielen. Genau wie bei einem großen neuen Teleskop enthüllt dieser Sprung zu einer 1000-fach höheren Auflösung Details, die wir noch nie gesehen haben.

Eine weitere wichtige Motivation ist es, nicht nur mehr über die spezifische Geschichte von Uranus zu erfahren, sondern auch die Planetenbildung allgemeiner zu verstehen. In den letzten Jahren haben wir festgestellt, dass die häufigsten Arten von Exoplaneten (Planeten, die andere Sterne als unsere Sonne umkreisen) Uranus und Neptun ziemlich ähnlich sind. Alles, was wir über die mögliche Entwicklung unserer eigenen Eisriesen lernen, trägt zu unserem Verständnis ihrer weit entfernten Verwandten und der Entwicklung potenziell bewohnbarer Welten bei.

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Ein spannendes 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 nachfolgende gewaltsame Ausbuchtung des Planeten noch entfernt werden kann. Das Fehlen einer Atmosphäre macht es weniger wahrscheinlich, dass ein Planet Leben beherbergt. Andererseits könnten der massive Energieeinsatz und das zugefügte Material möglicherweise auch dazu beitragen, nützliche Chemikalien für das Leben zu schaffen. Steiniges Material aus dem Kern des aufprallenden Körpers kann auch in die äußere Atmosphäre gelangen. Dies bedeutet, dass wir nach Spurenelementen suchen können, die möglicherweise auf ähnliche Auswirkungen hinweisen, wenn wir sie in der Atmosphäre eines Exoplaneten beobachten.

Es bleiben noch viele Fragen zu Uranus und den großen Auswirkungen im Allgemeinen. Obwohl unsere Simulationen immer detaillierter werden, müssen wir noch viel lernen. Viele Menschen fordern daher eine neue Mission für Uranus und Neptun, um ihre seltsamen Magnetfelder, ihre skurrilen Familien von Monden und Ringen und sogar einfach das, woraus sie eigentlich bestehen, zu untersuchen.

Das würde ich 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.

Jacob Kegerreis ist Doktorand in Computerastronomie an der Durham University. Dieser Artikel wurde ursprünglich in The Conversation veröffentlicht.

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