dvftgb
目录:
天王星可以说是太阳系中最神秘的行星 - 我们对此知之甚少。到目前为止，我们只有一次访问过这个星球，1986年的旅行者2号航天器。这个冰巨人最明显的奇怪之处在于它正在旋转。
与所有其他行星不同，它们的旋转轴与围绕太阳的轨道形成接近直角的大致“直立”旋转，天王星倾斜几乎是一个直角。所以在夏天，北极几乎直接指向太阳。与土星，木星和海王星不同，它们周围有水平环，天王星有垂直的环和卫星围绕其倾斜的赤道运行。
另见：天王星字面上是一个放屁厂 - 它绝对会杀了你
冰巨人还有一个令人惊讶的寒冷温度和凌乱的偏心磁场，不像大地其他行星如地球或木星的整齐的条形磁铁形状。因此，科学家怀疑天王星曾经与太阳系中的其他行星类似，但突然被翻转过来。所以发生了什么事？我们的新研究发表于 天体物理学杂志 并在美国地球物理联盟的一次会议上提出了一个线索。
灾变性碰撞
我们的太阳系曾经是一个更加暴力的地方，原行星（发展成为行星的物体）在猛烈的巨大撞击中碰撞，这有助于创造我们今天看到的世界。大多数研究人员认为，天王星的旋转是戏剧性碰撞的结果。我们着手揭示它是如何发生的。
我们想要研究对天王星的巨大影响，看看这种碰撞究竟是如何影响地球的演化的。不幸的是，我们不能（还）在实验室里建造两个行星并将它们粉碎在一起，看看究竟发生了什么。相反，我们运行使用功能强大的超级计算机模拟事件的计算机模型作为下一个最好的事情。
基本思想是用计算机中的数百万个粒子模拟碰撞的行星，每个粒子代表一个行星物质块。我们给模拟提供了描述物理如重力和物质压力如何工作的方程式，因此它可以计算粒子在相互碰撞时如何随时间演变。通过这种方式，我们甚至可以研究巨大影响的复杂而混乱的结果。使用计算机模拟的另一个好处是我们可以完全控制。我们可以测试各种不同的影响情景，并探索可能的结果范围。
我们的模拟（见上文）表明，一个至少比地球大两倍的物体可以轻易地创造出天王星今天通过猛烈撞击并与一颗年轻行星合并的奇怪旋转。对于更多的放牧碰撞，撞击体的材料可能最终会分散在天王星冰层边缘附近的薄而热的壳体中，位于氢气和氦气的下方。
这可以抑制天王星内部物质的混合，从内部深处捕获热量。令人兴奋的是，这个想法似乎符合天王星的外观今天如此寒冷的观察。热演化非常复杂，但至少可以清楚地知道巨大的撞击如何能够重塑内外的行星。
超级计算
从计算的角度来看，这项研究也令人兴奋。就像望远镜的大小一样，模拟中的粒子数量限制了我们可以解决和研究的问题。然而，简单地尝试使用更多粒子来实现新发现是一项严峻的计算挑战，这意味着即使在功能强大的计算机上也需要很长时间。
我们最新的模拟使用超过100米的颗粒，比目前大多数其他研究使用的颗粒多100-1000倍。除了制作一些令人惊叹的图片和动画如何发生巨大的影响，这开辟了我们现在可以开始解决的各种新的科学问题。
这一改进得益于SWIFT，我们设计的新模拟代码充分利用了当代“超级计算机”。这些基本上是许多连接在一起的普通计算机。因此，快速运行大型模拟依赖于在超级计算机的所有部分之间划分计算。
SWIFT估计模拟中的每个计算任务需要多长时间，并尝试均匀地分享工作以获得最大效率。就像一台大型新望远镜一样，它的分辨率提高了1000倍，显示出我们以前从未见过的细节。
系外行星和超越
除了更多地了解天王星的具体历史外，另一个重要的动机是更普遍地了解行星的形成。近年来，我们发现最常见的系外行星（除了太阳以外的轨道恒星）与天王星和海王星非常相似。因此，我们所了解的关于我们自己的冰巨人可能发展的一切，都有助于我们对他们远古表兄弟的理解以及潜在可居住世界的演变。
我们研究的一个与外星生命问题非常相关的令人兴奋的细节是巨大影响后的大气命运。我们的高分辨率模拟显示，在最初的碰撞中幸存下来的一些大气层仍然可以通过随后的行星猛烈膨胀来消除。缺乏气氛使得一颗行星不太可能拥有生命。然而，也许大量的能量输入和添加的材料也可能有助于为生命创造有用的化学物质。来自撞击体核心的岩石材料也可以混入外部大气中。这意味着如果我们在系外行星的大气中观察它们，我们可以寻找某些微量元素，它们可能是类似影响的指标。
关于天王星以及一般的巨大影响仍然存在很多问题。即使我们的模拟越来越详细，我们仍然需要学习很多东西。因此，许多人要求对天王星和海王星进行新的任务，研究他们奇怪的磁场，他们古怪的卫星和戒指的家庭，甚至是他们究竟是由它们构成的。
我非常希望看到这种情况发生。观察，理论模型和计算机模拟的结合最终将帮助我们不仅了解天王星，而且还有助于我们了解充满宇宙的无数行星以及它们是如何形成的。
本文最初发表在Jacob Kegerreis的The Conversation上。阅读原文。