Ciencia de Urano: ¿Cómo terminó el planeta de hielo gigante en su lado?

Se puede decir que Urano es el planeta más misterioso del sistema solar, sabemos muy poco al respecto. Hasta ahora, solo hemos visitado el planeta una vez, con la nave espacial Voyager 2 en 1986. Lo más obvio de este gigante de hielo es el hecho de que está girando de lado.

A diferencia de todos los otros planetas, que giran aproximadamente "verticales" con sus ejes giratorios en ángulos rectos a sus órbitas alrededor del sol, Urano está inclinado casi en un ángulo recto. Así que en su verano, el polo norte apunta casi directamente hacia el sol. Y a diferencia de Saturno, Júpiter y Neptuno, que tienen juegos de anillos horizontales alrededor de ellos, Urano tiene anillos y lunas verticales que orbitan alrededor de su ecuador inclinado.

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El gigante de hielo también tiene una temperatura sorprendentemente fría y un campo magnético desordenado y descentrado, a diferencia de la forma de imán de barra ordenada de la mayoría de los otros planetas como la Tierra o Júpiter. Los científicos, por lo tanto, sospechan que Urano fue una vez similar a los otros planetas en el sistema solar, pero de repente se volcó. ¿Entonces qué pasó? Nuestra nueva investigación, publicada en el Revista astrofísica y presentado en una reunión de la Unión Geofísica Americana, ofrece una pista.

Colisión cataclísmica

Nuestro sistema solar solía ser un lugar mucho más violento, con protoplanetas (cuerpos en desarrollo para convertirse en planetas) colisionando en violentos impactos gigantes que ayudaron a crear los mundos que vemos hoy. La mayoría de los investigadores creen que el giro de Urano es la consecuencia de una colisión dramática. Nos propusimos descubrir cómo pudo haber sucedido.

Queríamos estudiar los impactos gigantes en Urano para ver exactamente cómo tal colisión podría haber afectado la evolución del planeta. Desafortunadamente, no podemos (aún) construir dos planetas en un laboratorio y destruirlos para ver qué sucede realmente. En su lugar, ejecutamos modelos de computadora que simulaban los eventos usando una poderosa supercomputadora como la mejor opción.

La idea básica era modelar los planetas en colisión con millones de partículas en la computadora, cada una representando un bulto de material planetario. Le damos a la simulación las ecuaciones que describen cómo funcionan la física, como la gravedad y la presión del material, para que pueda calcular cómo evolucionan las partículas con el tiempo a medida que chocan entre sí. De esta manera podemos estudiar incluso los resultados fantásticamente complicados y desordenados de un impacto gigante. Otro beneficio de usar simulaciones por computadora es que tenemos control total. Podemos probar una amplia variedad de diferentes escenarios de impacto y explorar el rango de posibles resultados.

Nuestras simulaciones (ver arriba) muestran que un cuerpo al menos el doble de masivo que la Tierra podría crear fácilmente el extraño giro que Urano tiene hoy al estrellarse contra un planeta joven y fusionarse con él. Para más colisiones de pastoreo, el material del cuerpo impactante probablemente terminará extendido en una capa delgada y caliente cerca del borde de la capa de hielo de Urano, debajo de la atmósfera de hidrógeno y helio.

Esto podría inhibir la mezcla de material dentro de Urano, atrapando el calor de su formación en lo profundo. Emocionantemente, esta idea parece encajar con la observación de que el exterior de Urano es tan frío hoy. La evolución térmica es muy complicada, pero al menos está claro cómo un impacto gigante puede remodelar un planeta por dentro y por fuera.

Supercálculos

La investigación también es emocionante desde una perspectiva computacional. Al igual que el tamaño de un telescopio, la cantidad de partículas en una simulación limita lo que podemos resolver y estudiar. Sin embargo, simplemente tratar de usar más partículas para permitir nuevos descubrimientos es un serio desafío computacional, lo que significa que lleva mucho tiempo incluso en una computadora poderosa.

Nuestras últimas simulaciones utilizan más de 100 m de partículas, aproximadamente 100-1,000 veces más que la mayoría de los otros estudios actuales. Además de crear impresionantes imágenes y animaciones de cómo se produjo el impacto gigante, esto abre todo tipo de nuevas preguntas científicas que ahora podemos comenzar a abordar.

Esta mejora se debe a SWIFT, un nuevo código de simulación que hemos diseñado para aprovechar al máximo las "supercomputadoras" contemporáneas. Estas son básicamente muchas computadoras normales conectadas entre sí. Por lo tanto, ejecutar una gran simulación se basa rápidamente en dividir los cálculos entre todas las partes de la supercomputadora.

SWIFT calcula el tiempo que tomará cada tarea de computación en la simulación e intenta compartir cuidadosamente el trabajo de manera equitativa para lograr la máxima eficiencia. Al igual que un gran telescopio nuevo, este salto a una resolución 1.000 veces mayor revela detalles que nunca hemos visto antes.

Exoplanetas y más allá

Además de aprender más sobre la historia específica de Urano, otra motivación importante es comprender la formación de los planetas de manera más general. En los últimos años, hemos descubierto que el tipo más común de exoplanetas (planetas que orbitan otras estrellas además de nuestro Sol) son bastante similares a Urano y Neptuno. Entonces, todo lo que aprendemos acerca de la posible evolución de nuestros propios gigantes de hielo alimenta nuestra comprensión de sus primos lejanos y la evolución de mundos potencialmente habitables.

Un detalle interesante que estudiamos y que es muy relevante para la cuestión de la vida extraterrestre es el destino de una atmósfera después de un impacto gigante. Nuestras simulaciones de alta resolución revelan que parte de la atmósfera que sobrevive a la colisión inicial aún puede ser eliminada por el posterior bombardeo violento del planeta. La falta de una atmósfera hace que un planeta sea mucho menos propenso a albergar vida. Por otra parte, quizás la ingesta masiva de energía y el material agregado puedan ayudar a crear químicos útiles para la vida también. El material rocoso del núcleo del cuerpo impactante también puede mezclarse con la atmósfera exterior. Esto significa que podemos buscar ciertos elementos traza que podrían ser indicadores de impactos similares si los observamos en la atmósfera de un exoplaneta.

Quedan muchas preguntas sobre Urano y los impactos gigantes en general. A pesar de que nuestras simulaciones son cada vez más detalladas, todavía tenemos mucho que aprender. Por lo tanto, muchas personas solicitan una nueva misión a Urano y Neptuno para estudiar sus extraños campos magnéticos, sus extrañas familias de lunas y anillos, e incluso simplemente de qué están hechos realmente.

Me gustaría mucho que eso suceda. La combinación de observaciones, modelos teóricos y simulaciones por computadora nos ayudará, en última instancia, a comprender no solo a Urano, sino a la gran cantidad de planetas que llenan nuestro universo y cómo llegaron a ser.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation por Jacob Kegerreis. Lee el artículo original aquí.