천왕성 과학 : 거대한 얼음 행성은 어떻게 그쪽으로 끝났습니까?

천왕성은 틀림없이 태양계에서 가장 신비한 행성입니다. 우리는 그것에 대해 거의 알지 못합니다. 지금까지 우리는 1986 년 Voyager 2 호 우주선을 가지고 한 번 행성을 방문했습니다.이 얼음 거인에 대한 가장 명백한 이상한 점은 그것이 그 편이 회전하고 있다는 사실입니다.

태양 주위의 궤도에 직각에 가까운 회전축으로 대략 "직립"회전하는 다른 모든 행성과 달리 천왕성은 거의 직각으로 기울어 져있다. 따라서 여름에는 북극이 태양쪽으로 거의 직접 향하게됩니다. 그리고 주변에 수평선이있는 토성, 목성, 해왕성과는 달리 천왕성은 기울어 진 적도 부근에서 궤도를 도는 수직선과 달을 가지고 있습니다.

또한보십시오: 천왕성은 말 그대로 방귀 공장입니다 - 그리고 그것은 절대적으로 당신을 죽일 것입니다.

이 거대 얼음은 또한 지구 또는 목성과 같은 대부분의 다른 행성의 깔끔한 바 - 자석 모양과 달리 놀랍도록 추운 온도와 지저분하고 중심에서 벗어난 자기장을 가지고 있습니다. 따라서 과학자들은 천왕성이 한때 태양계의 다른 행성들과 유사했지만 갑자기 뒤집혔다 고 생각한다. 무슨 일 있었 니? 우리의 새로운 연구는 천체 물리학 저널 미국 지구 물리학 연합 (American Geophysical Union) 회의에서 발표 한 단서가 단서를 제공합니다.

대격변의 충돌

우리의 태양계는 훨씬 더 폭력적인 곳이었습니다. 오늘날 원형을 만드는 데 도움이되는 거대한 충격에 충돌하는 원시 행성 (시체가 행성으로 발전하고 있습니다)이 충돌했습니다. 대부분의 연구자들은 천왕성의 회전은 극적인 충돌의 결과라고 믿습니다. 우리는 그 사건이 어떻게 일어날 수 있었는지 밝히기 시작했습니다.

우리는 천왕성에 대한 거대한 충격을 연구하여 그러한 충돌이 행성의 진화에 어떻게 영향을 미쳤는지를 정확히보고 싶었습니다. 불행히도, 우리는 실험실에서 두 개의 행성을 만들 수 없으며, 실제로 일어나는 것을보기 위해 그들을 하나로 부숴 버릴 수 없습니다. 대신에 우리는 차세대 컴퓨터로 강력한 슈퍼 컴퓨터를 사용하여 이벤트를 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델을 실행했습니다.

기본적인 아이디어는 컴퓨터에있는 수백만 개의 입자로 충돌하는 행성을 모델링하는 것이 었습니다. 각 행성은 행성 물질의 덩어리를 나타냅니다. 시뮬레이션을 통해 중력 및 재료 압력 작동과 같은 물리가 어떻게 작용 하는지를 설명하는 식을 제공하므로 서로 충돌하는 시간에 따라 입자가 어떻게 진화하는지 계산할 수 있습니다. 이런 식으로 우리는 거대한 충격의 환상적이고 복잡한 결과를 연구 할 수 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하는 또 다른 이점은 우리가 완전히 제어 할 수 있다는 것입니다. 다양한 영향 시나리오를 테스트하고 가능한 결과 범위를 탐색 할 수 있습니다.

우리의 시뮬레이션 (위 참조)은 지구의 적어도 두 배가 넘는 몸체가 천왕성을 젊은 지구에 끼워 넣거나 병합하여 이상한 회전을 일으킬 수 있음을 보여줍니다. 좀 더 방목하는 충돌의 경우, 충돌하는 몸체의 물질은 아마도 수소와 헬륨 대기 아래의 천왕성 얼음 층 가장자리 근처의 얇고 뜨거운 껍질로 퍼져 나갈 것입니다.

이것은 천왕성 내부의 물질이 섞이는 것을 막을 수 있으며 내부 깊숙한 곳의 열을 포획 할 수 있습니다. 흥미롭게도,이 생각은 천왕성의 외장이 오늘날 매우 추울 것이라는 관찰에 부합하는 것으로 보인다. 열 진화는 매우 복잡하지만 거대한 충격이 내부와 외부 모두 행성을 어떻게 바꿀 수 있는지는 적어도 분명합니다.

수퍼 컴퓨팅

이 연구는 또한 계산적인 관점에서 흥미 진진합니다. 망원경의 크기와 마찬가지로 시뮬레이션의 입자 수는 우리가 해결하고 연구 할 수있는 범위를 제한합니다. 그러나 더 많은 입자를 사용하여 새로운 발견을 가능하게하려는 것은 계산상의 어려운 문제이며 강력한 컴퓨터에서도 오랜 시간이 걸립니다.

우리의 최신 시뮬레이션은 100m 이상의 입자를 사용하며, 오늘날 대부분의 다른 연구보다 약 100-1000 배 더 많은 입자를 사용합니다. 거대한 충격이 어떻게 일어 났는지에 대한 멋진 사진과 애니메이션을 만드는 것뿐만 아니라 이제 우리는 이제 막 태클을 시작할 수있는 모든 종류의 새로운 과학적 질문을 열어 둡니다.

이러한 개선은 현대의 "수퍼 컴퓨터"를 최대한 활용할 수 있도록 설계된 새로운 시뮬레이션 코드 인 SWIFT 덕분입니다. 이들은 기본적으로 서로 연결된 많은 정상적인 컴퓨터입니다. 따라서 큰 시뮬레이션을 실행하려면 수퍼 컴퓨터의 모든 부분에서 계산을 나누어야합니다.

SWIFT는 시뮬레이션의 각 컴퓨팅 작업이 얼마나 오래 걸릴지 예측하고 최대 효율성을 위해 작업을 고르게 공유하려고합니다. 큰 새로운 망원경과 마찬가지로이 1,000 배 더 높은 해상도로의 이동은 전에 보지 못했던 세부적인 것을 보여줍니다.

외계 행성과 그 너머

천왕성의 특정 역사에 대해 더 많이 배우고있을뿐만 아니라 또 다른 중요한 동기는 행성 형성을보다 일반적으로 이해하는 것입니다. 최근 몇 년 동안, 우리는 외계 행성 (우리 태양 이외의 별들을 궤도에 진입하는 행성)의 가장 일반적인 유형이 천왕성과 해왕성과 매우 유사하다는 것을 발견했습니다. 그래서 우리가 우리 자신의 얼음 거인의 가능한 진화에 관해 배운 모든 것은 멀리 떨어진 사촌들에 대한 우리의 이해와 잠재적으로 거주 할 수있는 세계의 진화로 이어집니다.

외계 생명체의 문제와 매우 관련이있는 우리가 연구 한 흥미 진진한 세부 사항은 거대한 충격 이후의 대기의 운명입니다. 우리의 고해상도 시뮬레이션은 초기 충돌에서 살아남은 대기 중 일부가 지구의 후속 폭력으로 여전히 제거 될 수 있음을 보여줍니다. 분위기가 없기 때문에 행성의 삶을 유지할 확률이 훨씬 낮습니다. 그리고 다시, 아마도 엄청난 에너지 투입량과 물질이 생활에 유용한 화학 물질을 만드는 데 도움이 될지도 모릅니다. 충격을주는 몸체의 핵심 부분에있는 암석 물질 또한 외부 대기와 섞일 수 있습니다. 이것은 우리가 외계 행성의 대기에서 관찰 할 때 유사한 영향을 나타내는 지표 일 수있는 특정 미량 원소를 찾을 수 있음을 의미합니다.

천왕성에 대한 많은 질문과 거대한 충격이 일반적으로 남아 있습니다. 우리의 시뮬레이션이 더욱 상세 해지고 있지만, 우리는 여전히 많은 것을 배워야합니다. 따라서 많은 사람들은 천왕성과 해왕성에 그들의 이상한 자기장, 달빛과 고리의 그들의 기발한 가족, 심지어 정확하게 그들이 정확히 만들어 졌는지를 연구하기위한 새로운 사명을 요구합니다.

나는 그 일이 일어나는 것을보고 싶습니다. 관측, 이론 모델 및 컴퓨터 시뮬레이션의 결합은 궁극적으로 천왕성뿐만 아니라 우리 우주를 채우는 무수한 행성과 그들이 어떻게 생겼는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

이 기사는 원래 Jacob Kegerreis의 The Conversation에 게시되었습니다. 여기에 원본 기사를 읽으십시오.