La science est sous ses angles étranges

Uranus est sans doute la planète la plus mystérieuse du système solaire – nous en savons très peu. Jusqu'à présent, nous n'avions visité la planète qu'une seule fois, avec le vaisseau Voyager 2 en 1986. La chose la plus évidente à propos de ce géant de glace est le fait qu'il tourne sur lui-même.

toutes les autres planètes, qui tournent à peu près «verticalement» avec leurs axes de rotation presque perpendiculaires à leurs orbites autour du soleil, Uranus est incliné d’un angle presque droit. Ainsi, en été, le pôle nord pointe presque directement vers le soleil. Et contrairement à Saturne, Jupiter et Neptune, qui sont entourés d'anneaux horizontaux, Uranus possède des anneaux verticaux et des lunes qui gravitent autour de son équateur incliné.

Le géant de la glace a également une température étonnamment froide et une atmosphère désordonnée et excentrée. champ magnétique, contrairement à la forme ordonnée de barres magnétiques de la plupart des autres planètes comme la Terre ou Jupiter. Les scientifiques soupçonnent donc qu'Uranus était autrefois similaire aux autres planètes du système solaire, mais a été soudainement retourné. Alors, qu'est-ce-qu'il s'est passé? Notre nouvelle recherche, publiée dans le Astrophysical Journal et présentée lors d'une réunion de l'American Geophysical Union, offre un indice.

Collision cataclysmique

Notre système solaire avait l'habitude d'être un endroit beaucoup plus violent, avec des protoplanètes (des corps se développant pour devenir des planètes) se heurtant à des impacts géants violents qui ont aidé à créer les mondes que nous voyons aujourd'hui. La plupart des chercheurs pensent que le spin d’Uranus est la conséquence d’une collision dramatique . Nous avons cherché à découvrir comment cela aurait pu se produire.

Nous voulions étudier les impacts géants sur Uranus pour voir exactement comment une telle collision aurait pu affecter l’évolution de la planète. Malheureusement, nous ne pouvons pas (encore) construire deux planètes dans un laboratoire et les briser ensemble pour voir ce qui se passe réellement. Au lieu de cela, nous avons exécuté des modèles informatiques simulant les événements en utilisant un super-ordinateur puissant comme prochaine meilleure solution.

L'idée de base était de modéliser les planètes en collision avec des millions de particules dans l'ordinateur, chacune représentant un bloc de matériau planétaire. Nous donnons à la simulation les équations décrivant le fonctionnement de la physique, comme la gravité et la pression des matériaux, afin qu’elle puisse calculer la façon dont les particules évoluent avec le temps, au moment où elles se brisent. De cette façon, nous pouvons étudier même les résultats incroyablement compliqués et désordonnés d’un impact géant. L’utilisation de simulations sur ordinateur présente un autre avantage: nous avons un contrôle total. Nous pouvons tester une grande variété de scénarios d’impact différents et explorer la gamme de résultats possibles.

Nos simulations (voir ci-dessus) montrent qu’un corps au moins deux fois plus massif que la Terre pourrait facilement créer l’étrange tournure que Uranus a aujourd’hui en se fondant avec une jeune planète. Pour les collisions plus rasantes, le matériau du corps impactant finirait probablement par s'étendre dans une coquille mince et chaude près du bord de la couche de glace d'Uranus, sous l'atmosphère d'hydrogène et d'hélium.

Cela pourrait empêcher le mélange de matériaux à l'intérieur d'Uranus. piéger la chaleur de sa formation profondément à l'intérieur. Il est intéressant de noter que cette idée semble correspondre à l’observation selon laquelle l’extérieur d’Uranus est si froid aujourd’hui. L'évolution thermique est très compliquée, mais il est au moins clair comment un impact géant peut remodeler une planète à la fois de l'intérieur et de l'extérieur.

Super calculs

La recherche est également intéressante du point de vue du calcul. Tout comme la taille d'un télescope, le nombre de particules dans une simulation limite ce que nous pouvons résoudre et étudier. Cependant, essayer d'utiliser plus de particules pour permettre de nouvelles découvertes est un défi informatique important, ce qui signifie qu'il faut beaucoup de temps, même sur un ordinateur puissant.

Nos dernières simulations utilisent plus de 100 m de particules, environ 100 à 1 000 fois plus que la plupart des autres études utilisent aujourd'hui. En plus de produire de superbes images et animations illustrant l'impact de l'impact géant, cela ouvre de nombreuses nouvelles questions scientifiques auxquelles nous pouvons maintenant commencer à répondre.

Cette amélioration est due à SWIFT un Nous avons conçu un nouveau code de simulation pour tirer pleinement parti des «superordinateurs» contemporains . Ce sont fondamentalement beaucoup d'ordinateurs normaux reliés entre eux. Ainsi, l'exécution d'une grande simulation dépend de la division des calculs entre toutes les parties du supercalculateur.

SWIFT estime le temps que prendra chaque tâche de calcul dans la simulation et essaiera de le partager avec précaution pour obtenir une efficacité maximale. Comme un nouveau grand télescope, ce saut à une résolution 1000 fois supérieure révèle des détails inédits.

Les exoplanètes et au-delà

En plus d'en savoir plus sur l'histoire spécifique d'Uranus, une autre motivation importante est la compréhension de la formation de la planète. plus généralement. Ces dernières années, nous avons découvert que le type le plus commun d’exoplanètes (planètes orbitant autour d’autres étoiles que notre soleil) est assez similaire à Uranus et Neptune . Donc, tout ce que nous apprenons sur l'évolution possible de nos propres géantes de la glace contribue à notre compréhension de leurs lointains cousins ​​et de l'évolution de mondes potentiellement habitables.

Le détail que nous avons étudié et qui est très pertinent pour la question de la vie extraterrestre est le destin d’une atmosphère après un impact géant. Nos simulations haute résolution révèlent qu'une partie de l'atmosphère qui survit à la collision initiale peut encore être supprimée par le renflement violent de la planète.

L'absence d'atmosphère rend une planète beaucoup moins susceptible d'accueillir la vie. Là encore, l’apport massif d’énergie et l’ajout de matériaux pourraient également contribuer à la création de produits chimiques utiles pour la vie. Les matériaux rocheux provenant du noyau du corps impactant peuvent également se mélanger à l’atmosphère extérieure. Cela signifie que nous pouvons rechercher certains oligo-éléments qui pourraient être des indicateurs d’impact similaires si nous les observons dans l’atmosphère d’une exoplanète.

Il reste de nombreuses questions sur Uranus et sur les impacts géants en général. Même si nos simulations sont de plus en plus détaillées, nous avons encore beaucoup à apprendre. De nombreuses personnes demandent donc une nouvelle mission auprès d'Uranus et de Neptune afin d'étudier leurs champs magnétiques étranges, leurs familles étranges de lunes et d'anneaux et même simplement de quoi elles sont précisément faites.

J'aimerais beaucoup voir cela. se produire. La combinaison d'observations, de modèles théoriques et de simulations sur ordinateur nous aidera à comprendre non seulement Uranus, mais également la myriade de planètes qui remplissent notre univers et leur devenir.

Cet article est republié de The Conversation de Jacob Kegerreis étudiant au doctorat en astronomie computationnelle, à l’Université de Durham sous une licence Creative Commons. Lisez l'article original .