Uranus est sans doute la planète la plus mystérieuse du système solaire – nous en savons très peu à son sujet. Jusque là, nous n'avons visité la planète qu'une seule fois, avec le vaisseau spatial Voyager 2 en 1986. La chose étrange la plus évidente à propos de ce géant de glace est le fait qu'il tourne sur le côté.

Contrairement à toutes les autres planètes, qui tournent à peu près « debout » avec leurs axes de rotation à peu près à angle droit par rapport à leurs orbites autour du soleil, Uranus est incliné presque à angle droit. Alors en son été, le pôle nord pointe presque directement vers le soleil. Et contrairement à Saturne, Jupiter et Neptune, qui ont des ensembles horizontaux d'anneaux autour d'eux, Uranus a des anneaux verticaux et des lunes qui orbitent autour de son équateur incliné.

Le géant de glace a également une température étonnamment froide et un champ magnétique désordonné et décentré, contrairement à la forme soignée de l'aimant en barre 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 qu'il s'est soudainement retourné. Alors, qu'est-ce-qu'il s'est passé? Notre nouvelle recherche, publié dans le Journal d'astrophysique et présenté lors d'une réunion de l'American Geophysical Union, offre un indice.

Collision cataclysmique

Notre système solaire était un endroit beaucoup plus violent, avec des protoplanètes (des corps se développant pour devenir des planètes) entrant en collision dans des impacts géants violents qui ont contribué à créer les mondes que nous voyons aujourd'hui. La plupart des chercheurs pensent que la rotation d'Uranus est la conséquence d'une collision dramatique. Nous avons cherché à découvrir comment cela avait 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 écraser ensemble pour voir ce qui se passe réellement. Au lieu, nous avons exécuté des modèles informatiques simulant les événements en utilisant un superordinateur puissant comme la meilleure chose à faire.

L'idée de base était de modéliser les planètes en collision avec des millions de particules dans l'ordinateur, chacun représentant un morceau de matériau planétaire. Nous donnons à la simulation les équations qui décrivent le fonctionnement de la physique comme la gravité et la pression matérielle, il peut donc calculer comment les particules évoluent avec le temps lorsqu'elles s'écrasent les unes sur les autres. De cette façon, nous pouvons étudier même les résultats fantastiquement compliqués et désordonnés d'un impact géant. Un autre avantage de l'utilisation de simulations informatiques est que nous avons un contrôle total. Nous pouvons tester une grande variété de scénarios d'impact différents et explorer l'éventail des 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 rotation qu'Uranus a aujourd'hui en s'écrasant et en fusionnant avec une jeune planète. Pour plus de collisions de pâturage, le matériau du corps d'impact finirait probablement par s'étaler en une couche mince, coquille 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 matière à l'intérieur d'Uranus, emprisonnant la chaleur de sa formation profondément à l'intérieur. Excitant, 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 à l'intérieur et à l'extérieur.

Super calculs

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

Nos dernières simulations utilisent plus de 100m de particules, environ 100-1, 000 fois plus que la plupart des autres études utilisées aujourd'hui. En plus de créer des images et des animations époustouflantes de la façon dont l'impact géant s'est produit, cela ouvre toutes sortes de nouvelles questions scientifiques que nous pouvons maintenant commencer à aborder.

Cette amélioration est grâce à SWIFT, un nouveau code de simulation que nous avons conçu pour tirer pleinement parti des "supercalculateurs" contemporains. Ce sont essentiellement de nombreux ordinateurs normaux reliés entre eux. Donc, exécuter une grosse simulation repose rapidement sur la répartition des calculs entre toutes les parties du supercalculateur.

SWIFT estime combien de temps chaque tâche informatique de la simulation prendra et essaie de partager soigneusement le travail de manière uniforme pour une efficacité maximale. Tout comme un nouveau grand télescope, ce saut à 1, Une résolution 000 fois plus élevée révèle des détails que nous n'avons jamais vus auparavant.

Exoplanètes et au-delà

En plus d'en apprendre davantage sur l'histoire spécifique d'Uranus, une autre motivation importante est de comprendre la formation des planètes de manière plus générale. Dans les années récentes, nous avons découvert que le type d'exoplanètes le plus courant (planètes qui orbitent autour d'étoiles autres que notre soleil) est assez similaire à Uranus et Neptune. Ainsi, tout ce que nous apprenons sur l'évolution possible de nos propres géants de glace alimente notre compréhension de leurs cousins ​​lointains et l'évolution de mondes potentiellement habitables.

Un détail passionnant que nous avons étudié et qui est très pertinent pour la question de la vie extraterrestre est le sort d'une atmosphère après un impact géant. Nos simulations à haute résolution révèlent qu'une partie de l'atmosphère qui survit à la collision initiale peut encore être éliminée par le gonflement violent de la planète qui s'ensuit. L'absence d'atmosphère rend une planète beaucoup moins susceptible d'héberger la vie. Puis encore, peut-être que l'apport d'énergie massif et la matière ajoutée pourraient également aider à créer des produits chimiques utiles pour la vie. Les matériaux rocheux du noyau du corps d'impact peuvent également se mélanger à l'atmosphère extérieure. Cela signifie que nous pouvons rechercher certains éléments traces qui pourraient être des indicateurs d'impacts similaires si nous les observons dans l'atmosphère d'une exoplanète.

Beaucoup de questions demeurent sur Uranus, et les impacts géants en général. Même si nos simulations sont de plus en plus détaillées, nous avons encore beaucoup à apprendre. De nombreuses personnes appellent donc à une nouvelle mission vers Uranus et Neptune pour étudier leurs étranges champs magnétiques, leurs familles originales de lunes et d'anneaux et même simplement de quoi ils sont faits exactement.

J'aimerais beaucoup que cela se produise. La combinaison d'observations, les modèles théoriques et les simulations informatiques nous aideront finalement à comprendre non seulement Uranus, mais les myriades de planètes qui remplissent notre univers et comment elles sont apparues.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.