Urano è probabilmente il pianeta più misterioso del sistema solare:ne sappiamo molto poco. Finora, abbiamo visitato il pianeta solo una volta, con la navicella spaziale Voyager 2 nel 1986. La cosa strana più ovvia di questo gigante di ghiaccio è il fatto che ruota su un lato.

A differenza di tutti gli altri pianeti, che ruotano approssimativamente "in posizione verticale" con i loro assi di rotazione ad angolo retto vicino alle loro orbite attorno al sole, Urano è inclinato di quasi un angolo retto. Così nella sua estate, il polo nord punta quasi direttamente verso il sole. E a differenza di Saturno, Giove e Nettuno, che hanno gruppi orizzontali di anelli intorno a loro, Urano ha anelli verticali e lune che orbitano attorno al suo equatore inclinato.

Il gigante di ghiaccio ha anche una temperatura sorprendentemente fredda e un campo magnetico disordinato e decentrato, a differenza della forma ordinata del magnete a barra della maggior parte degli altri pianeti come la Terra o Giove. Gli scienziati quindi sospettano che un tempo Urano fosse simile agli altri pianeti del sistema solare, ma che sia stato improvvisamente capovolto. Allora, cos'è successo? La nostra nuova ricerca, pubblicato in Giornale Astrofisico e presentato a una riunione dell'American Geophysical Union, offre un indizio.

Cataclisma di collisione

Il nostro sistema solare era un posto molto più violento, con protopianeti (corpi che si sviluppano per diventare pianeti) che si scontrano in violenti impatti giganti che hanno contribuito a creare i mondi che vediamo oggi. La maggior parte dei ricercatori ritiene che la rotazione di Urano sia la conseguenza di una drammatica collisione. Abbiamo deciso di scoprire come sarebbe potuto accadere.

Volevamo studiare gli impatti giganti su Urano per vedere esattamente come una tale collisione avrebbe potuto influenzare l'evoluzione del pianeta. Sfortunatamente, non possiamo (ancora) costruire due pianeti in un laboratorio e romperli insieme per vedere cosa succede veramente. Anziché, abbiamo eseguito modelli al computer che simulavano gli eventi utilizzando un potente supercomputer come soluzione migliore.

L'idea di base era quella di modellare i pianeti in collisione con milioni di particelle nel computer, ognuno rappresenta un pezzo di materiale planetario. Diamo alla simulazione le equazioni che descrivono come funzionano la fisica come la gravità e la pressione del materiale, quindi può calcolare come le particelle evolvono nel tempo mentre si scontrano l'una con l'altra. In questo modo possiamo studiare anche i risultati fantasticamente complicati e disordinati di un impatto gigante. Un altro vantaggio dell'utilizzo delle simulazioni al computer è che abbiamo il pieno controllo. Possiamo testare un'ampia varietà di diversi scenari di impatto ed esplorare la gamma di possibili risultati.

Le nostre simulazioni (vedi sopra) mostrano che un corpo almeno due volte più massiccio della Terra potrebbe facilmente creare la strana rotazione che Urano ha oggi sbattendo e fondendosi con un giovane pianeta. Per ulteriori collisioni radenti, il materiale del corpo impattante finirebbe probabilmente per disperdersi in un sottile, guscio caldo vicino al bordo dello strato di ghiaccio di Urano, sotto l'atmosfera di idrogeno ed elio.

Questo potrebbe inibire la miscelazione di materiale all'interno di Urano, intrappolando il calore dalla sua formazione nel profondo. Eccitante, questa idea sembra combaciare con l'osservazione che l'esterno di Urano è così freddo oggi. L'evoluzione termica è molto complicata, ma è almeno chiaro come un impatto gigantesco possa rimodellare un pianeta sia all'interno che all'esterno.

Super calcoli

La ricerca è interessante anche dal punto di vista computazionale. Proprio come le dimensioni di un telescopio, il numero di particelle in una simulazione limita ciò che possiamo risolvere e studiare. Però, il semplice tentativo di utilizzare più particelle per consentire nuove scoperte è una seria sfida computazionale, il che significa che richiede molto tempo anche su un computer potente.

Le nostre ultime simulazioni utilizzano oltre 100 m di particelle, circa 100-1, 000 volte di più rispetto alla maggior parte degli altri studi oggi utilizzati. Oltre a creare immagini e animazioni straordinarie di come è avvenuto il gigantesco impatto, questo apre ogni sorta di nuove domande scientifiche che ora possiamo iniziare ad affrontare.

Questo miglioramento è dovuto a SWIFT, un nuovo codice di simulazione che abbiamo progettato per sfruttare appieno i "supercomputer" contemporanei. Questi sono fondamentalmente molti computer normali collegati tra loro. Così, l'esecuzione rapida di una grande simulazione si basa sulla suddivisione dei calcoli tra tutte le parti del supercomputer.

SWIFT stima quanto tempo impiegherà ogni attività di calcolo nella simulazione e cerca di condividere attentamente il lavoro in modo uniforme per la massima efficienza. Proprio come un grande nuovo telescopio, questo salto a 1, La risoluzione 000 volte superiore rivela dettagli mai visti prima.

Esopianeti e non solo

Oltre a saperne di più sulla storia specifica di Urano, un'altra motivazione importante è capire la formazione del pianeta più in generale. Negli ultimi anni, abbiamo scoperto che il tipo più comune di esopianeti (pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal nostro sole) sono abbastanza simili a Urano e Nettuno. Quindi tutto ciò che apprendiamo sulla possibile evoluzione dei nostri giganti di ghiaccio alimenta la nostra comprensione dei loro cugini lontani e dell'evoluzione di mondi potenzialmente abitabili.

Un dettaglio emozionante che abbiamo studiato e molto rilevante per la questione della vita extraterrestre è il destino di un'atmosfera dopo un impatto gigantesco. Le nostre simulazioni ad alta risoluzione rivelano che parte dell'atmosfera che sopravvive alla collisione iniziale può ancora essere rimossa dal successivo violento rigonfiamento del pianeta. La mancanza di atmosfera rende un pianeta molto meno probabile che ospiti la vita. Poi ancora, forse il massiccio input di energia e il materiale aggiunto potrebbero aiutare a creare anche sostanze chimiche utili per la vita. Anche il materiale roccioso proveniente dal nucleo del corpo impattante può mescolarsi nell'atmosfera esterna. Ciò significa che possiamo cercare alcuni oligoelementi che potrebbero essere indicatori di impatti simili se li osserviamo nell'atmosfera di un esopianeta.

Rimangono molte domande su Urano, e impatti giganti in generale. Anche se le nostre simulazioni stanno diventando più dettagliate, abbiamo ancora molto da imparare. Molte persone chiedono quindi una nuova missione su Urano e Nettuno per studiare i loro strani campi magnetici, le loro bizzarre famiglie di lune e anelli e anche semplicemente di cosa sono fatti esattamente.

Mi piacerebbe molto vederlo accadere. La combinazione di osservazioni, modelli teorici e simulazioni al computer alla fine ci aiuteranno a capire non solo Urano, ma la miriade di pianeti che riempiono il nostro universo e come sono nati.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.