EQ - QU
Mục lục:
Sao Thiên Vương được cho là hành tinh bí ẩn nhất trong hệ mặt trời - chúng ta biết rất ít về nó. Cho đến nay, chúng ta mới chỉ ghé thăm hành tinh này một lần, với tàu vũ trụ Voyager 2 trở lại vào năm 1986. Điều kỳ lạ rõ ràng nhất về người khổng lồ băng này là thực tế là nó đang quay về phía nó.
Không giống như tất cả các hành tinh khác, chúng quay tròn khoảng cách thẳng đứng với các trục quay ở gần góc phải với quỹ đạo của chúng quanh mặt trời, Thiên vương tinh bị nghiêng gần như một góc vuông. Vì vậy, vào mùa hè, cực bắc chỉ gần như trực tiếp về phía mặt trời. Và không giống như Sao Thổ, Sao Mộc và Sao Hải Vương, có các vòng tròn nằm ngang xung quanh chúng, Sao Thiên Vương có các vòng thẳng đứng và các mặt trăng quay quanh đường xích đạo nghiêng của nó.
Xem thêm: Uranus thực sự là một nhà máy đánh rắm - Và nó hoàn toàn sẽ giết bạn
Người khổng lồ băng cũng có nhiệt độ lạnh đáng kinh ngạc và từ trường lộn xộn và ngoài trung tâm, không giống như hình dạng thanh nam châm gọn gàng của hầu hết các hành tinh khác như Trái đất hoặc Sao Mộc. Do đó, các nhà khoa học nghi ngờ rằng Thiên vương tinh đã từng giống với các hành tinh khác trong hệ mặt trời nhưng đột nhiên bị lật. Vậy chuyện gì đã xảy ra? Nghiên cứu mới của chúng tôi, được công bố trong Tạp chí vật lý thiên văn và được trình bày tại một cuộc họp của Hiệp hội Địa vật lý Hoa Kỳ, đưa ra một manh mối.
Va chạm thảm khốc
Hệ mặt trời của chúng ta từng là một nơi bạo lực hơn nhiều, với các hành tinh (cơ thể phát triển thành hành tinh) va chạm vào các tác động khổng lồ bạo lực giúp tạo ra thế giới mà chúng ta thấy ngày nay. Hầu hết các nhà nghiên cứu tin rằng Uranus quay spin là hậu quả của một vụ va chạm mạnh. Chúng tôi đặt ra để khám phá làm thế nào nó có thể xảy ra.
Chúng tôi muốn nghiên cứu các tác động khổng lồ lên Sao Thiên Vương để xem chính xác một vụ va chạm như vậy có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa của hành tinh. Thật không may, chúng ta có thể xây dựng hai hành tinh trong phòng thí nghiệm và đập chúng lại với nhau để xem điều gì thực sự xảy ra. Thay vào đó, chúng tôi đã chạy các mô hình máy tính mô phỏng các sự kiện bằng siêu máy tính mạnh mẽ là điều tốt nhất tiếp theo.
Ý tưởng cơ bản là mô hình hóa các hành tinh va chạm với hàng triệu hạt trong máy tính, mỗi hạt đại diện cho một cục vật chất hành tinh. Chúng tôi đưa ra mô phỏng các phương trình mô tả cách vật lý như trọng lực và áp suất vật chất hoạt động, để nó có thể tính toán các hạt phát triển theo thời gian như thế nào khi chúng va vào nhau. Bằng cách này, chúng ta có thể nghiên cứu ngay cả những kết quả cực kỳ phức tạp và lộn xộn của một tác động khổng lồ. Một lợi ích khác của việc sử dụng mô phỏng máy tính là chúng tôi có toàn quyền kiểm soát. Chúng tôi có thể kiểm tra nhiều tình huống tác động khác nhau và khám phá phạm vi kết quả có thể xảy ra.
Mô phỏng của chúng tôi (xem ở trên) cho thấy một cơ thể có khối lượng ít nhất gấp đôi Trái đất có thể dễ dàng tạo ra vòng xoáy kỳ lạ mà Thiên vương tinh có được ngày hôm nay bằng cách đâm sầm vào và hợp nhất với một hành tinh trẻ. Đối với các va chạm gặm cỏ nhiều hơn, vật liệu va chạm cơ thể có thể sẽ lan ra trong một lớp vỏ mỏng, nóng gần rìa lớp băng Uranus, bên dưới bầu khí quyển hydro và heli.
Điều này có thể ức chế sự trộn lẫn vật chất bên trong Thiên vương tinh, giữ nhiệt từ sự hình thành của nó sâu bên trong. Thật thú vị, ý tưởng này có vẻ phù hợp với quan sát rằng ngoại thất Uranus, hôm nay rất lạnh. Sự tiến hóa nhiệt rất phức tạp, nhưng ít nhất là rõ ràng làm thế nào một tác động khổng lồ có thể định hình lại một hành tinh cả trong lẫn ngoài.
Siêu tính toán
Nghiên cứu cũng thú vị từ góc độ tính toán. Giống như kích thước của kính viễn vọng, số lượng hạt trong mô phỏng giới hạn những gì chúng ta có thể giải quyết và nghiên cứu. Tuy nhiên, chỉ đơn giản là cố gắng sử dụng nhiều hạt hơn để kích hoạt những khám phá mới là một thách thức tính toán nghiêm trọng, có nghĩa là phải mất một thời gian dài ngay cả trên một máy tính mạnh mẽ.
Mô phỏng mới nhất của chúng tôi sử dụng hơn 100m hạt, gấp khoảng 100-1.000 lần so với hầu hết các nghiên cứu khác hiện nay. Cùng với việc tạo ra một số hình ảnh và hoạt hình tuyệt đẹp về tác động khổng lồ đã xảy ra, điều này mở ra tất cả các loại câu hỏi khoa học mới mà chúng ta có thể bắt đầu giải quyết.
Sự cải thiện này là nhờ SWIFT, một mã mô phỏng mới mà chúng tôi thiết kế để tận dụng tối đa lợi thế của các siêu máy tính hiện đại trên mạng. Đây là những máy tính bình thường được liên kết với nhau. Vì vậy, việc chạy một mô phỏng lớn nhanh chóng dựa vào việc phân chia các tính toán giữa tất cả các phần của siêu máy tính.
SWIFT ước tính mỗi nhiệm vụ tính toán trong mô phỏng sẽ mất bao lâu và cố gắng chia sẻ cẩn thận công việc một cách đồng đều để đạt hiệu quả tối đa. Giống như một chiếc kính thiên văn lớn mới, bước nhảy này có độ phân giải cao hơn 1.000 lần cho thấy các chi tiết chúng ta chưa từng thấy trước đây.
Ngoại hành tinh và xa hơn
Cùng với việc tìm hiểu thêm về lịch sử cụ thể của Sao Thiên Vương, một động lực quan trọng khác là hiểu sự hình thành hành tinh nói chung hơn. Trong những năm gần đây, chúng tôi đã phát hiện ra rằng loại ngoại hành tinh phổ biến nhất (các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài mặt trời của chúng ta) khá giống với Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Vì vậy, tất cả mọi thứ chúng ta tìm hiểu về sự tiến hóa có thể có của những người khổng lồ băng của chúng ta ăn vào sự hiểu biết của chúng ta về anh em họ xa của họ và sự tiến hóa của các thế giới có thể ở được.
Một chi tiết thú vị mà chúng tôi nghiên cứu rất phù hợp với câu hỏi về sự sống ngoài trái đất là số phận của một bầu khí quyển sau một tác động khổng lồ. Mô phỏng độ phân giải cao của chúng tôi tiết lộ rằng một số bầu khí quyển sống sót sau vụ va chạm ban đầu vẫn có thể được loại bỏ bởi sự phình to dữ dội sau đó của hành tinh. Việc thiếu một bầu không khí làm cho một hành tinh ít có khả năng tổ chức sự sống. Sau đó, một lần nữa, có lẽ đầu vào năng lượng lớn và vật liệu bổ sung có thể giúp tạo ra các hóa chất hữu ích cho cuộc sống. Vật liệu đá từ lõi cơ thể va chạm cũng có thể hòa lẫn vào bầu khí quyển bên ngoài. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể tìm kiếm các yếu tố vi lượng nhất định có thể là các chỉ số cho các tác động tương tự nếu chúng ta quan sát chúng trong bầu không khí ngoài hành tinh.
Vẫn còn rất nhiều câu hỏi về Sao Thiên Vương và những tác động to lớn nói chung. Mặc dù các mô phỏng của chúng tôi ngày càng chi tiết hơn, chúng tôi vẫn có nhiều điều để tìm hiểu. Do đó, nhiều người đang kêu gọi một sứ mệnh mới đến Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương để nghiên cứu từ trường kỳ lạ của họ, họ và mặt trăng kỳ quặc của họ, và thậm chí đơn giản là chính xác những gì họ thực sự tạo ra.
Tôi rất muốn thấy điều đó xảy ra. Sự kết hợp của các quan sát, mô hình lý thuyết và mô phỏng máy tính cuối cùng sẽ giúp chúng ta hiểu không chỉ Thiên vương tinh, mà còn vô số hành tinh lấp đầy vũ trụ của chúng ta và chúng xuất hiện như thế nào.
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Jacob Kegerreis. Đọc văn bản gôc ở đây.