27 mei 2019

Computer simulaties geven mogelijke verklaring van Uranus gekantelde as

De ijzige planeet Uranus is de op twee na grootste en vanaf de zon gezien de zevende planeet van ons zonnestelsel. Deze ijsreus is vernoemd naar de god Uranus, de personificatie van de hemel, uit de Griekse mythologie. Het meest opvallende kenmerk van Uranus is de equator die een hoek van 98° heeft met het baanvlak van de planeet. Een onderzoeksteam o.l.v. Jacob Kegerreis van de Engelse Universiteit van Durham heeft getracht met computer simulaties een mogelijke verklaring te vinden voor het feit dat Uranus ‘op zijn kant’ ligt, i.t.t. tot zijn buren Jupiter, Saturnus en Neptunus. Daar het onmogelijk is deze situatie in een lab na te bootsen besloot het team een krachtige supercomputer te gebruiken om zo simulaties uit te kunnen voeren die 100 tot 1000 keer gedetailleerder waren dan eerder onderzoek. Zo heeft het team, dat uit alle windhoeken van de wereld kwam, van Seattle tot Noord-Engeland, een hele serie van scenario’s kunnen uittesten.

IJsplaneet Uranus credits: Inverse / NASA

De ijsreus Uranus in ons zonnestelsel is slechts eenmaal bezocht door de Voyager 2 in 1986. Het meest opvallende kenmerk van Uranus is de equator die een hoek van 98° heeft met het baanvlak van de planeet, de obliquiteit genoemd. Ter vergelijking: de Aarde heeft een obliquiteit van 23,45°. Een mogelijke verklaring voor het feit dat Uranus ‘op zijn kant ligt’ is dat er ooit een botsing met een ander groot hemellichaam – enkele malen groter dan de Aarde – heeft plaatsgevonden. Dat zou tevens een verklaring kunnen zijn voor het grote aantal manen rond deze planeet en hun typische positie, en voor de ringen. Andere verklaringen gaan uit van twee of meer kleine botsingen of juist helemaal geen botsing. Wetenschappers vermoeden dat Uranus ooit was zoals de anderen maar plots omkantelde, maar waardoor? In het wetenschappelijk artikel ‘Consequences of Giant Impacts on Early Uranus for Rotation, Internal Structure, Debris, and Atmospheric Erosion’ gepubliceerd in The Astrophysical Journal* (juli 2018) en op 12  december 2018 gepresenteerd op een congres van de American Geophysical Union, heeft een team onderzoekers afkomstig van de Universiteit van Durham, Seattle, en instituten Los Alamos en NASA o.l.v. Jacob Kegerreis getracht een mogelijk antwoord hierop te vinden. Ze hebben een zogeheten serie van ‘smoothed particle hydrodynamics’ (SPH)**  computer simulaties uitgevoerd om zo gedetailleerd mogelijk de effecten van een gigantische inslag op de jonge Uranus planeet na te bootsen. Deze cataclysmische gebeurtenis zou Uranus kantelmoment kunnen verklaren alsook meer inzicht bieden in de interne structuur en zijn atmosfeer. Ons zonnestelsel was tijdens zijn formatie zeer gewelddadig, met botsende protoplaneten resulterend in enorme inslagen en uiteindelijk in het zonnestelsel formatie zoals wij die nu kennen.  Het onderzoeksteam heeft met de computer simulatie deze botsende planeten weergegeven met miljoenen deeltjes, elk een klompje planetair materiaal representerend. Ze verwerkten in de simulatie de vergelijkingen die beschrijven hoe de fysische krachten zoals zwaartekracht en materiële druk op het planetair materiaal inwerken, opdat de computer kon berekenen hoe de deeltjes met de tijd evolueerden als ze tegen elkaar botsten. Het team kon zo een groot aantal scenario’s testen en de reeks mogelijke uitkomsten verkennen. 

De simulaties toonden aan dat een hemellichaam dat minstens twee keer zo zwaar is als de aarde, gemakkelijk de vreemde draai kan creëren die Uranus gemaakt heeft, door de kracht van de inslag en het versmelten met de andere planeet. Bij meer schampende botsingen zou het materiaal van het inslaande hemellichaam waarschijnlijk uitgespreid worden in een dun, heet omhulsel  nabij de rand van de ijslaag van Uranus, onder de waterstof- en heliumatmosfeer. Dit zou het mengen van materiaal binnenin Uranus kunnen belemmeren, waardoor de warmte van zijn formatie in het diepe binnenste gevangen blijft. Dit idee lijkt te passen bij de waarneming dat de buitenkant van Uranus momenteel zo  koud is. Thermische evolutie is een zeer complex proces, maar er is door deze studie nu meer inzicht in hoe een enorme inslag een planeet zowel aan de binnen- als buitenkant kan vervormen. Deze simulatie studie gebruikte 100 miljoen deeltjes, zo een 100-1000 keer meer dan de meeste andere simulaties tot nu toe. Dankzij een nieuwe simulatie codering ‘SWIFT’, die de onderzoekers zelf ontwierpen konden ze optimaal gebruik maken van huidige supercomputers. Dit zijn feitelijk een aantal krachtige computers aan elkaar gekoppeld. Kort door de bocht gezegd komt het erop neer dat door de berekeningen zo efficiënt mogelijk op te delen tussen de verschillende (deel)computers men een zo maximaal resultaat kon behalen.

Simulatie botsingen twee planeten credits; Phys.org

De onderzoekers waren  ook gemotiveerd om meer over algemene planeet formatie te weten te komen. Momenteel weet men dat de meest gangbare voorkomende exoplaneten enigszins overeenkomen met  Uranus en ook Neptunus. Dus alles wat men nu meer te weten komt over de evolutie van onze eigen ijsreuzen voedt het begrip van deze verre ‘neven’. Een door de onderzoekers bestudeerd detail dat van belang is in de zoektocht naar buitenaards leven op exoplaneten is hoe de atmosfeer van deze eraan toe is nadat er zo een gigantische impact heeft plaatsgevonden. De hoge resolutie simulaties onthulden dat delen van de atmosfeer die de initiële impact ‘overleefd’ hadden later alsnog vernietigd kunnen worden door de  vorming van uitstulpingen of ‘knobbels’ aan het ijs oppervlak van de planeet van inslagmateriaal. Het gebrek aan een atmosfeer maakt het voorkomen van aards leven, zoals wij dat kennen, minder aannemelijk. Alhoewel op zijn beurt deze energierijke inslagen, zo stellen de onderzoekers, misschien ook wel weer materiaal aan kan leveren om de juiste chemische componenten hiervan te vormen. Het materiaal van het inslaglichaam kan gemengd worden met de buitenste atmosfeer van Uranus. Dit betekent dat er daar naar sporen van elementen gezocht kan worden die op hun beurt weer indicatoren zijn in de atmosfeer van exoplaneten voor dergelijke grote inslagen. Het team pleit voor een nieuwe missie naar Uranus en Neptunus om zo nog meer inzicht te krijgen in de effecten van grote (exo)planetaire inslagen. Bronnen; Inverse / The Conversation / American Geophysical Union (AGU) congres presentatie 12/12/2018
** Smoothed-particle hydrodynamica (SPH) is een computationele methode die wordt gebruikt voor het simuleren van continuum mechanica zoals vloeistofstromen. Het werd ontwikkeld voor astrofysische problemen. het is een Lagrangiaanse methode (waarbij de coördinaten met de vloeistof meebewegen) en de resolutie van de methode kan eenvoudig worden aangepast met betrekking tot variabelen zoals dichtheid.

Reacties

  1. Quote : ” … buitenaards leven, zoals wij dat kennen … ”

    Een ongelukkige gekozen combinatie van woorden, of heb ik iets gemist ? 😉
    [ Grapje ]

    Quote : “… de effecten van een gigantische inslag op de jonge(!) Uranus planeet… ”
    Quote : “… Dat zou tevens een verklaring kunnen zijn voor het grote aantal manen rond deze planeet en hun typische positie, en(!) voor de ringen. ”

    In een andere blog een week geleden, meldt Arie dat de ringen van Saturnus een relatief recent verschijnsel zijn. https://www.astroblogs.nl/2019/01/18/saturnus-ringen-zijn-nog-jong-naar-schatting-tussen-10-en-100-miljoen-jaar-oud/
    Op Wikipedia staat dat men bij Uranus ‘een aantal onvolledige ringen’ heeft ontdekt.
    https://nl.wikipedia.org/wiki/Uranus_(planeet)
    Hoe is dat te rijmen met de aanname dat de ringen van Uranus er al wel sinds de ‘jonge’ Uranus (4 miljard jaar geleden?) zijn.

    ( Me dunkt dat als die ringen er al heel lang zijn, ze misschien ijl zijn, maar wel volledig(!) omdat de snelheid van elke korrel iets verschilt… )
    Is er enig bewijs of aanwijzingen hoelang Uranus reeds die hoge obliquiteit heeft, hoe lang die manen al om de planeet dansen?

    De as van de Aarde heeft een obliquiteit, zoals in het artikel wordt gemeld, van 23% . Is dat alleen de Aarde, of geldt dat voor heel het Aarde-Maan systeem?
    En staat het maan-stelsel van Uranus idem-dito zowat haaks op de baanvlak rond de Zon ?

    Groet, Paul

    • Angele van Oosterom zegt

      -Over 15 à 20 jaar kijkt misschien wel niemand meer op van deze zin, maar – aards – past hier beter,:)

      -er is geen zekerheid over het aantal, onderling sterk verschillende, manen van Uranus, ook is er geen zekerheid over het exacte aantal, de aard en ouderdom van de pas zeer recent ontdekte ringen en het mechanisme dat ze samenhoudt, – ‘The mechanism that confines the narrow rings is not well understood. Initially it was assumed that every narrow ring had a pair of nearby shepherd moons corralling them into shape’. Ook bestaat het vermoeden dat er nog tijdelijke stofbanden tussen de ringen bestaan – there may be numerous optically thin dust bands and faint rings between them.., en liggen er nog manen ingebed in de ringen, vandaar misschien dat de NLse wikipagina ze ‘onvolledig’ noemt, (ze zijn anders dan de Saturnus ringen van samenstelling en ouderdom). Het trillen kan verschillende oorzaken hebben als ik het goed begrijp, hetzij door fragmentatie van Uranus manen hetzij door de onregelmatige zwaartekrachtverdeling van Uranus vanwege zijn vorm, een afgeplatte bol. -Het enige dat zeker is, is dat de rotatie as van Uranus zijwaarts is gekanteld, bijna in het vlak van zijn baan om de zon. Uniek i.i.g. t.o.v. de omringende planeten.Gr. Angele

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: