Uranus Science: Comment la planète de glace géante s'est-elle renversée?

Uranus est sans doute la planète la plus mystérieuse du système solaire - nous en savons très peu. Jusqu'à présent, nous n'avions visité la planète qu'une seule fois, avec le vaisseau spatial Voyager 2 en 1986. La chose la plus évidente à propos de ce géant de la glace est le fait qu'il tourne sur lui-même.

Contrairement à toutes les autres planètes, qui tournent à peu près «verticalement» avec leurs axes de rotation presque perpendiculaires à leurs orbites autour du soleil, Uranus est incliné presque à angle droit. Ainsi, en été, le pôle nord pointe presque directement vers le soleil. Et contrairement à Saturne, Jupiter et Neptune, qui sont entourés d'anneaux horizontaux, Uranus possède des anneaux verticaux et des lunes qui gravitent autour de son équateur incliné.

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Le géant de la glace a également une température étonnamment froide et un champ magnétique désordonné et excentré, contrairement à la forme ordonnée de barres magnétiques de la plupart des autres planètes comme la Terre ou Jupiter. Les scientifiques soupçonnent donc qu'Uranus était autrefois similaire aux autres planètes du système solaire, mais a été soudainement retourné. Alors, qu'est-ce-qu'il s'est passé? Notre nouvelle recherche, publiée dans le Journal astrophysique et présenté lors d'une réunion de l'American Geophysical Union, offre un indice.

Collision Cataclysmique

Notre système solaire était autrefois un endroit beaucoup plus violent, avec des protoplanètes (des corps qui se développaient pour devenir des planètes) se heurtant dans de violents impacts géants qui ont contribué à créer les mondes que nous voyons aujourd'hui. La plupart des chercheurs pensent que la rotation d’Uranus est la conséquence d’une collision dramatique. Nous avons cherché à découvrir comment cela aurait pu se produire.

Nous voulions étudier les impacts géants sur Uranus pour voir exactement comment une telle collision aurait pu affecter l’évolution de la planète. Malheureusement, nous ne pouvons pas (encore) construire deux planètes dans un laboratoire et les briser ensemble pour voir ce qui se passe réellement. Au lieu de cela, nous avons exécuté des modèles informatiques simulant les événements en utilisant un supercalculateur puissant comme prochaine meilleure chose.

L'idée de base était de modéliser les planètes en collision avec des millions de particules dans l'ordinateur, chacune représentant un bloc de matériau planétaire. Nous donnons à la simulation les équations décrivant le fonctionnement de la physique, comme la gravité et la pression des matériaux, afin qu’elle puisse calculer la façon dont les particules évoluent avec le temps, au moment où elles se brisent. De cette façon, nous pouvons étudier même les résultats incroyablement compliqués et désordonnés d’un impact géant. L’utilisation de simulations sur ordinateur présente un autre avantage: nous avons un contrôle total. Nous pouvons tester une grande variété de scénarios d’impact différents et explorer la gamme de résultats possibles.

Nos simulations (voir ci-dessus) montrent qu'un corps au moins deux fois plus massif que la Terre pourrait facilement créer l'étrange tour de force qu'Uranus a aujourd'hui en se projetant et en fusionnant avec une jeune planète. Pour un plus grand nombre de collisions, le matériau du corps impactant finirait probablement par se disperser dans une coquille mince et chaude près du bord de la couche de glace d’Uranus, sous l’atmosphère d’hydrogène et d’hélium.

Cela pourrait empêcher le mélange de matériaux à l'intérieur d'Uranus, capturant ainsi la chaleur provenant de sa formation à l'intérieur. Il est intéressant de noter que cette idée semble correspondre à l’observation selon laquelle l’extérieur d’Uranus est si froid aujourd'hui. L'évolution thermique est très compliquée, mais il est au moins clair comment un impact géant peut remodeler une planète à la fois à l'intérieur et à l'extérieur.

Super calculs

La recherche est également passionnante d'un point de vue informatique. Tout comme la taille d'un télescope, le nombre de particules dans une simulation limite ce que nous pouvons résoudre et étudier. Cependant, essayer simplement d'utiliser plus de particules pour permettre de nouvelles découvertes est un défi informatique important, ce qui signifie que cela prend beaucoup de temps, même sur un ordinateur puissant.

Nos dernières simulations utilisent plus de 100 m de particules, soit environ 100 à 1 000 fois plus que la plupart des autres études actuelles. En plus de produire des images et des animations époustouflantes sur l'impact de cet impact géant, cela ouvre toute une série de nouvelles questions scientifiques auxquelles nous pouvons maintenant commencer à nous attaquer.

Cette amélioration est due à SWIFT, un nouveau code de simulation que nous avons conçu pour tirer pleinement parti des «superordinateurs» contemporains. Il s’agit essentiellement d’un grand nombre d’ordinateurs normaux reliés entre eux. Ainsi, l'exécution d'une grande simulation dépend de la division des calculs entre toutes les parties du supercalculateur.

SWIFT estime la durée de chaque tâche informatique de la simulation et essaie de partager le travail avec précaution de manière uniforme pour une efficacité maximale. Tout comme un nouveau grand télescope, ce saut à une résolution 1000 fois supérieure révèle des détails jamais vus auparavant.

Exoplanètes et au-delà

En plus d'en apprendre plus sur l'histoire spécifique d'Uranus, une autre motivation importante est la compréhension de la formation de la planète en général. Ces dernières années, nous avons découvert que le type d’exoplanètes le plus répandu (les planètes qui orbitent autour d’autres étoiles que notre soleil) est assez similaire à Uranus et Neptune. Donc, tout ce que nous apprenons sur l'évolution possible de nos propres géantes de la glace contribue à notre compréhension de leurs cousins ​​lointains et à l'évolution de mondes potentiellement habitables.

Un détail passionnant que nous avons étudié et qui est très pertinent pour la question de la vie extraterrestre est le destin d’une atmosphère après un impact géant. Nos simulations à haute résolution révèlent qu'une partie de l'atmosphère qui survit à la collision initiale peut encore être éliminée par le renflement violent de la planète. L'absence d'atmosphère rend une planète beaucoup moins susceptible d'accueillir la vie. Là encore, l’apport massif d’énergie et l’ajout de matériaux pourraient également contribuer à la création de produits chimiques utiles pour la vie. Les matériaux rocheux provenant du noyau du corps impactant peuvent également se mélanger à l’atmosphère extérieure. Cela signifie que nous pouvons rechercher certains oligo-éléments qui pourraient indiquer des impacts similaires si nous les observons dans l’atmosphère d’une exoplanète.

Uranus et les impacts géants en général posent encore de nombreuses questions. Même si nos simulations sont de plus en plus détaillées, nous avons encore beaucoup à apprendre. De nombreuses personnes appellent donc à une nouvelle mission à Uranus et à Neptune afin d’étudier leurs champs magnétiques étranges, leurs familles étranges de lunes et d’anneaux, et même simplement leur composition.

J'aimerais beaucoup que cela se produise. La combinaison d'observations, de modèles théoriques et de simulations informatiques nous aidera à comprendre non seulement Uranus, mais également la myriade de planètes qui remplissent notre univers et comment elles se sont formées.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Jacob Kegerreis. Lisez l'article original ici.