Urano: come è finito il pianeta gigante di ghiaccio?

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

A differenza di tutti gli altri pianeti, che ruotano approssimativamente "verticalmente" con le loro asce ad angoli retti rispetto alle loro orbite intorno al sole, Urano è inclinato di quasi un angolo retto. Quindi nella sua estate, il polo nord punta quasi direttamente verso il sole. E a differenza di Saturno, Giove e Nettuno, che hanno serie di anelli orizzontali intorno a loro, Urano ha anelli e lune verticali che orbitano intorno al suo equatore inclinato.

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

Collisione Cataclismica

Il nostro sistema solare era un posto molto più violento, con i protopianeti (corpi che si sviluppavano 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 distruggerli insieme per vedere cosa succede realmente. Invece, abbiamo eseguito modelli di computer che simulavano gli eventi usando un potente supercomputer come la cosa migliore.

L'idea di base era quella di modellare i pianeti in collisione con milioni di particelle nel computer, ognuna delle quali rappresenta una massa di materiale planetario. Diamo alla simulazione le equazioni che descrivono il funzionamento della fisica come la gravità e la pressione del materiale, in modo che possa calcolare il modo in cui le particelle si evolvono nel tempo mentre si scontrano l'una con l'altra. In questo modo possiamo studiare anche i risultati incredibilmente complicati e disordinati di un impatto gigantesco. Un altro vantaggio dell'utilizzo di simulazioni al computer è che abbiamo il pieno controllo. Siamo in grado di 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 grande della Terra potrebbe facilmente creare lo strano giro che Urano ha oggi sbattendo e fondendosi con un pianeta giovane. Per ulteriori collisioni di pascoli, il materiale del corpo che colpisce potrebbe finire per espandersi in un guscio sottile e caldo vicino al bordo dello strato di ghiaccio di Urano, al di sotto dell'atmosfera di idrogeno ed elio.

Questo potrebbe inibire la miscelazione del materiale all'interno di Urano, intrappolando il calore dalla sua formazione in profondità. Emozionante, questa idea sembra adattarsi all'osservazione che l'aspetto di Urano è così freddo oggi. L'evoluzione termica è molto complicata, ma è quantomeno chiaro come un impatto gigantesco possa rimodellare un pianeta sia dentro che fuori.

Super Computazioni

La ricerca è anche stimolante da una prospettiva computazionale. Proprio come le dimensioni di un telescopio, il numero di particelle in una simulazione limita ciò che possiamo risolvere e studiare. Tuttavia, provare semplicemente a usare più particelle per abilitare nuove scoperte è una seria sfida computazionale, il che significa che richiede molto tempo anche su un potente computer.

Le nostre più recenti simulazioni utilizzano oltre 100 m di particelle, circa 100-1000 volte più della maggior parte degli altri studi oggi in uso. Oltre a realizzare splendide immagini e animazioni su come è avvenuto l'impatto gigantesco, questo apre a tutti i tipi di nuove domande scientifiche che ora possiamo iniziare ad affrontare.

Questo miglioramento è grazie a SWIFT, un nuovo codice di simulazione che abbiamo progettato per sfruttare appieno i "supercomputer" contemporanei. Si tratta sostanzialmente di computer normali collegati insieme. Quindi, eseguire una grande simulazione si basa rapidamente sulla divisione dei calcoli tra tutte le parti del supercomputer.

SWIFT stima la durata di ciascuna attività di calcolo nella simulazione e cerca di condividere con cura il lavoro in modo uniforme per la massima efficienza. Proprio come un grande nuovo telescopio, questo salto a una risoluzione 1000 volte più alta rivela dettagli mai visti prima.

Exoplanets and Beyond

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

Un dettaglio emozionante che abbiamo studiato che è 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 un'atmosfera rende un pianeta molto meno propenso ad ospitare la vita. Inoltre, forse il massiccio apporto di energia e il materiale aggiunto potrebbero aiutare a creare sostanze chimiche utili anche per la vita. Anche il materiale roccioso dal nucleo del corpo che urta può essere miscelato nell'atmosfera esterna. Ciò significa che possiamo cercare determinati oligoelementi che potrebbero essere indicatori di impatti simili se li osserviamo nell'atmosfera di un pianeta extrasolare.

Rimangono molte domande su Urano e impatti giganti in generale. Anche se le nostre simulazioni sono sempre più dettagliate, abbiamo ancora molto da imparare. Molte persone invocano quindi una nuova missione su Urano e Nettuno per studiare i loro strani campi magnetici, le loro stravaganti famiglie di lune e anelli, e persino semplicemente di cosa siano effettivamente fatti.

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

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation di Jacob Kegerreis. Leggi l'articolo originale qui.