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天王星はおそらく太陽系で最も神秘的な惑星です - 私たちはそれについてほとんど知らない。これまでのところ、1986年にVoyager 2探査機が戻ってきて、私たちは一度だけ惑星を訪れました。この氷の巨人についての最も明白な奇妙なことは、それが横に回転しているという事実です。
太陽のまわりの軌道に対して直角に近い角度でそれらの回転軸でほぼ「直立」に回転する他のすべての惑星とは異なり、天王星はほぼ直角に傾けられています。それで、その夏に、北極はほぼ太陽に直接向いています。そして土星、木星、海王星のように水平方向に輪の輪があるのとは異なり、天王星は垂直の輪と月を持っていて、その傾斜した赤道の周りを周回しています。
また、参照してください：天王星は文字通りおなら工場です - そしてそれは絶対にあなたを殺すでしょう
地球や木星のような他のほとんどの惑星のきちんとした棒磁石の形状とは異なり、氷の巨人はまた驚くほど寒い気温と乱雑で中心を外れた磁場を持っています。したがって、科学者たちは、天王星が太陽系の他の惑星にかつて似ていたが、突然ひっくり返されたと疑っています。どうしたの？私たちの新しい研究は、 天体物理学ジャーナル そして、アメリカ地球物理学連合の会議で発表された、手がかりを提供します。
激しい衝突
私たちの太陽系は以前よりはるかに暴力的な場所でした。原始惑星（惑星になるために発達している体）は激しい巨大な衝突で衝突して今日見ている世界を創造するのを助けました。ほとんどの研究者は天王星のスピンは劇的な衝突の結果であると信じています。我々はそれがどのように起こり得るのかを明らかにするために着手した。
そのような衝突が惑星の進化にどのように影響を与えたのかを正確に知るために、私達は天王星への巨大な影響を研究したいと思いました。残念ながら、（まだ）ラボで2つの惑星を構築して、実際に起こることを確認するためにそれらを一緒に粉砕することはできません。代わりに、強力なスーパーコンピュータを使用してイベントをシミュレートしたコンピュータモデルを次に実行しました。
基本的なアイディアは、衝突する惑星をコンピュータ内の何百万もの粒子でモデル化することでした。それぞれが惑星物質の塊を表しています。重力や材料圧力のような物理学がどのように機能するかを表す方程式をシミュレーションに与えることで、粒子が互いに衝突しながら時間とともに進化する様子を計算することができます。このようにして私達は巨大な衝撃の幻想的に複雑で乱雑な結果さえも研究することができます。コンピューターシミュレーションを使用するもう1つの利点は、私たちが完全に制御できることです。多種多様な影響シナリオをテストし、考えられる結果の範囲を調べることができます。
私たちのシミュレーション（上を見てください）は、地球の少なくとも2倍の質量がある天体が今日、奇妙なスピンを容易に作り出すことができることを示しています。より多くのすれすれの衝突のために、衝突している体の材料はおそらく水素とヘリウムの雰囲気の下で、天王星の氷層の端の近くで薄くて熱い殻に広がってしまうでしょう。
これは天王星内部での物質の混合を妨げ、その形成の熱を内部の深部に閉じ込めます。興奮して、この考えは天王星の外面が今日とても寒いという観察と一致するようです。熱の進化は非常に複雑ですが、巨大な衝撃が惑星を内側と外側の両方にどのように形作ることができるかは少なくとも明らかです。
スーパーコンピューティング
この研究はまた、計算の観点からもエキサイティングです。望遠鏡の大きさと同じように、シミュレーション内の粒子の数は、我々が解決し研究することができるものを制限します。しかし、新しい発見を可能にするために単により多くのパーティクルを使用しようとすると、計算上の大きな課題となります。つまり、強力なコンピュータでも長い時間がかかります。
私たちの最新のシミュレーションは100m以上の粒子を使用しています。これは今日の他のほとんどの研究よりも約100-1000倍多くの粒子を使用しています。巨大な影響がどのように発生したかについての驚くほどの写真やアニメーションを作成するだけでなく、これは私たちが今取り組むことができるあらゆる種類の新しい科学的な疑問を切り開きます。
この改善は、現代の「スーパーコンピュータ」を最大限に活用するために私たちが設計した新しいシミュレーションコードであるSWIFTのおかげです。これらは基本的にたくさんの普通のコンピュータが一緒にリンクされています。したがって、大きなシミュレーションを実行することは、計算をスーパーコンピュータのすべての部分に分割することにすぐに依存します。
SWIFTは、シミュレーション内の各コンピューティングタスクにかかる時間を見積もり、最大限の効率が得られるように慎重に作業を均等に分担しようとします。大きな新しい望遠鏡のように、この1,000倍の高解像度へのジャンプは、私たちが今まで見たことのない詳細を明らかにします。
外惑星とその先
天王星の特定の歴史についてもっと学ぶことと同様に、もう一つの重要な動機は惑星形成をより一般的に理解することです。近年、最も一般的なタイプの太陽系外惑星（太陽以外の恒星を周回する惑星）が天王星や海王星とよく似ていることを発見しました。だから私たちが自分たちの氷の巨人たちの進化の可能性について学ぶことはすべて彼らの遠く離れたいとこたちと潜在的に住むことができる世界の進化についての私たちの理解に入ります。
私たちが研究した、地球外生命の問題に非常に関連している1つのエキサイティングな詳細は、大きな衝撃の後の大気の運命です。我々の高解像度シミュレーションは、最初の衝突から生き残った大気の一部が、その後の激しい惑星の膨らみによってなお取り除かれることができることを明らかにしている。大気の欠如は、惑星が生命をホストする可能性がはるかに低くなります。また、おそらく、大量のエネルギー入力と追加された材料は、同様に生命のために有用な化学物質を作り出すのを助けるかもしれません。衝撃を与える身体の中心部からの岩石のような物質も外気に混入する可能性があります。つまり、太陽系外惑星の大気中でそれらを観察すれば、類似の影響の指標となる可能性がある特定の微量元素を探すことができます。
天王星についての多くの疑問、そして一般に大きな影響が残っています。シミュレーションはより詳細になっていますが、まだ学ぶべきことがたくさんあります。そのため、多くの人々が、天王星と海王星に、彼らの奇妙な磁場、風変わりな月と環のファミリー、さらには実際にはそれらが実際に作られているものについて研究することを求めています。
それが起こるのを見たいです。観測、理論モデル、そしてコンピューターシミュレーションの組み合わせは、最終的には天王星だけでなく、私たちの宇宙を満たす無数の惑星とそれらがどのようになったのかを理解するのに役立ちます。
この記事は、もともとJacob KegerreisによってThe Conversationに掲載されました。ここで元の記事を読んでください。