Der Gas- / Eisriese Uranus ist für Astronomen seit langem ein Rätsel. Der Planet weist nicht nur einige thermische Anomalien und ein außermittiges Magnetfeld auf, sondern ist auch insofern einzigartig, als er der einzige im Sonnensystem ist, der sich auf seiner Seite dreht. Mit einer axialen Neigung von 98 ° erlebt der Planet radikale Jahreszeiten und einen Tag-Nacht-Zyklus an den Polen, an denen ein Tag und eine Nacht jeweils 42 Jahre dauern.
Dank einer neuen Studie, die von Forschern der Durham University durchgeführt wurde, konnte der Grund für diese Rätsel endlich gefunden werden. Mit Hilfe von NASA-Forschern und mehreren wissenschaftlichen Organisationen führte das Team Simulationen durch, die zeigten, wie Uranus in seiner Vergangenheit möglicherweise einen massiven Einfluss erlitten hat. Dies würde nicht nur die extreme Neigung und das Magnetfeld des Planeten erklären, sondern auch erklären, warum die äußere Atmosphäre des Planeten so kalt ist.
Die Studie „Konsequenzen riesiger Einflüsse auf den frühen Uranus auf Rotation, innere Struktur, Trümmer und atmosphärische Erosion“ erschien kürzlich in Das astrophysikalische Journal. Die Studie wurde von Jacob Kegerreis, einem Doktoranden des Instituts für Computational Cosmology der Durham University, geleitet und umfasste Mitglieder des Bay Area Environmental Research (BAER) -Instituts, des Ames Research Center der NASA, des Los Alamos National Laboratory, der Descartes Labs und der University of Washington und UC Santa Cruz.
Für ihre Studie, die vom Science and Technology Facilities Council, der Royal Society, der NASA und dem Los Alamos National Laboratory finanziert wurde, führte das Team die ersten hochauflösenden Computersimulationen durch, wie sich massive Kollisionen mit Uranus auf den Planeten auswirken würden Evolution. Wie Kegerries kürzlich in einer Pressemitteilung der Durham University erklärte:
„Uranus dreht sich auf seiner Seite, wobei seine Achse fast rechtwinklig zu denen aller anderen Planeten im Sonnensystem zeigt. Dies wurde mit ziemlicher Sicherheit durch einen riesigen Aufprall verursacht, aber wir wissen sehr wenig darüber, wie dies tatsächlich geschah und wie sich solch ein gewalttätiges Ereignis auf den Planeten auswirkte. “
Um festzustellen, wie sich ein Riesenaufprall auf Uranus auswirken würde, führte das Team eine Reihe von SPH-Simulationen (Smoothed Particle Hydrodynamics) durch, die in der Vergangenheit auch zur Modellierung des Riesenaufpralls verwendet wurden, der zur Bildung des Mondes führte (auch bekannt als Giant Impact) Theorie). Insgesamt führte das Team mehr als 50 verschiedene Auswirkungsszenarien mit einem leistungsstarken Computer durch, um festzustellen, ob die Bedingungen, die Uranus geprägt haben, wiederhergestellt werden.
Am Ende bestätigten die Simulationen, dass die geneigte Position von Uranus durch eine Kollision mit einem massiven Objekt (zwischen zwei und drei Erdmassen) verursacht wurde, die vor ungefähr 4 Milliarden Jahren stattfand - d. H. Während der Bildung des Sonnensystems. Dies stimmte mit einer früheren Studie überein, die darauf hinwies, dass ein Aufprall auf einen jungen Protoplaneten aus Fels und Eis für die axiale Neigung von Uranus verantwortlich sein könnte.
„Unsere Ergebnisse bestätigen, dass das wahrscheinlichste Ergebnis darin bestand, dass der junge Uranus in eine katastrophale Kollision mit einem Objekt verwickelt war, das doppelt so groß wie die Masse der Erde ist, wenn nicht sogar größer, es auf die Seite stößt und die Ereignisse in Gang setzt, die zur Erschaffung des Planeten beigetragen haben Wir sehen heute “, sagte Kegerries.
Darüber hinaus beantworteten die Simulationen grundlegende Fragen zu Uranus, die als Antwort auf frühere Studien aufgeworfen wurden. Im Wesentlichen haben sich Wissenschaftler gefragt, wie Uranus nach einer heftigen Kollision, die theoretisch seine Schichten aus Wasserstoff und Heliumgas abgeblasen hätte, seine Atmosphäre beibehalten könnte. Nach den Simulationen des Teams war dies höchstwahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass der Aufprall einen Schlag auf Uranus verursachte.
Dies hätte ausgereicht, um die Neigung von Uranus zu ändern, war aber nicht stark genug, um seine äußere Atmosphäre zu entfernen. Darüber hinaus zeigten ihre Simulationen, dass der Aufprall Gestein und Eis in die Umlaufbahn um den Planeten geworfen haben könnte. Dies hätte dann zu den inneren Satelliten des Planeten verschmelzen und die Rotation bereits vorhandener Monde verändern können, die sich bereits in der Umlaufbahn um Uranus befinden.
Zu guter Letzt lieferten die Simulationen eine mögliche Erklärung dafür, wie Uranus sein außermittiges Magnetfeld und seine thermischen Anomalien erhielt. Kurz gesagt, der Aufprall könnte geschmolzenes Eis und einseitige Gesteinsklumpen im Inneren des Planeten erzeugt haben (was sein Magnetfeld erklärt). Es hätte auch eine dünne Trümmerhülle in der Nähe des Randes der Eisschicht des Planeten entstehen können, die innere Wärme eingefangen hätte, was erklären könnte, warum die äußere Atmosphäre von Uranus extrem kalten Temperaturen von -216 ° C (-357 ° F) ausgesetzt ist.
Die Studie hilft Astronomen nicht nur, Uranus, einen der am wenigsten verstandenen Planeten im Sonnensystem, zu verstehen, sondern hat auch Auswirkungen auf die Untersuchung von Exoplaneten. Bisher waren die meisten Planeten, die in anderen Sternensystemen entdeckt wurden, in Größe und Masse mit Uranus vergleichbar. Daher hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse die chemischen Zusammensetzungen dieses Planeten beleuchten und erklären, wie sie sich entwickelt haben.
Dr. Luis Teodoro vom BAER-Institut und dem NASA Ames Research Center und einer der Mitautoren des Papiers sagten: „Alle Beweise deuten darauf hin, dass während der Planetenbildung häufig riesige Einflüsse auftreten, und mit dieser Art von Forschung arbeiten wir gewinnen jetzt mehr Einblick in ihre Auswirkungen auf potenziell bewohnbare Exoplaneten. “
In den kommenden Jahren sind weitere Missionen geplant, um das äußere Sonnensystem und die Riesenplaneten zu untersuchen. Diese Studien werden den Astronomen nicht nur helfen, die Entwicklung unseres Sonnensystems zu verstehen, sondern sie könnten uns auch sagen, welche Rolle Gasriesen bei der Bewohnbarkeit spielen.
