Uranus är utan tvekan den mest mystiska planeten i solsystemet - vi vet väldigt lite om den. Än så länge, vi har bara besökt planeten en gång, med rymdfarkosten Voyager 2 redan 1986. Det mest uppenbara konstiga med denna isjätte är det faktum att den snurrar på sidan.

Till skillnad från alla andra planeter, som snurrar ungefär "upprätt" med sina spinnaxlar i nära rät vinkel mot sina banor runt solen, Uranus lutar nästan i rät vinkel. Så på sin sommar, nordpolen pekar nästan direkt mot solen. Och till skillnad från Saturnus, Jupiter och Neptunus, som har horisontella uppsättningar ringar runt sig, Uranus har vertikala ringar och månar som kretsar runt sin lutande ekvator.

Isjätten har också en förvånansvärt kall temperatur och ett rörigt och off-centrerat magnetfält, till skillnad från den snygga bar-magnetformen på de flesta andra planeter som Jorden eller Jupiter. Forskare misstänker därför att Uranus en gång liknade de andra planeterna i solsystemet men plötsligt vändes över. Så vad hände? Vår nya forskning, publicerad i Astrofysisk tidskrift och presenterades vid ett möte med American Geophysical Union, ger en ledtråd.

Katalysmisk kollision

Vårt solsystem brukade vara en mycket våldsammare plats, med protoplaneter (kroppar som utvecklas till att bli planeter) som kolliderar i våldsamma jättenedslag som hjälpte till att skapa de världar vi ser idag. De flesta forskare tror att Uranus snurr är följden av en dramatisk kollision. Vi satte igång för att avslöja hur det kunde ha hänt.

Vi ville studera gigantiska effekter på Uranus för att se exakt hur en sådan kollision kunde ha påverkat planetens utveckling. Tyvärr, vi kan (ännu) inte bygga två planeter i ett labb och slå samman dem för att se vad som verkligen händer. Istället, vi körde datormodeller som simulerade händelserna med en kraftfull superdator som det näst bästa.

Grundidén var att modellera de kolliderande planeterna med miljontals partiklar i datorn, var och en representerar en klump av planetmaterial. Vi ger simuleringen ekvationerna som beskriver hur fysik som gravitation och materialtryck fungerar, så det kan beräkna hur partiklarna utvecklas med tiden när de kraschar in i varandra. På så sätt kan vi studera även de fantastiskt komplicerade och röriga resultaten av en gigantisk påverkan. En annan fördel med att använda datorsimuleringar är att vi har full kontroll. Vi kan testa en lång rad olika påverkanscenarier och utforska mängden möjliga resultat.

Våra simuleringar (se ovan) visar att en kropp som är minst dubbelt så massiv som jorden lätt kan skapa den märkliga spinn Uranus har idag genom att slå in i och smälta samman med en ung planet. För fler beteskollisioner, den stötande kroppens material skulle troligen hamna utspridda i en tunn, hett skal nära kanten av Uranus islager, under väte- och heliumatmosfären.

Detta kan hämma blandningen av material inuti Uranus, fångar värmen från dess bildning djupt inuti. Spännande nog, denna idé verkar passa med observationen att Uranus yttre är så kallt idag. Termisk utveckling är mycket komplicerad, men det är åtminstone tydligt hur ett jättenedslag kan omforma en planet både inifrån och ut.

Superfina beräkningar

Forskningen är också spännande ur ett beräkningsperspektiv. Ungefär som storleken på ett teleskop, antalet partiklar i en simulering begränsar vad vi kan lösa och studera. Dock, att bara försöka använda fler partiklar för att möjliggöra nya upptäckter är en allvarlig beräkningsutmaning, vilket innebär att det tar lång tid även på en kraftfull dator.

Våra senaste simuleringar använder över 100m partiklar, ca 100-1, 000 gånger mer än de flesta andra studier idag använder. Förutom att skapa några fantastiska bilder och animationer av hur den gigantiska inverkan hände, detta öppnar upp alla möjliga nya vetenskapliga frågor som vi nu kan börja ta itu med.

Denna förbättring är tack vare SWIFT, en ny simuleringskod vi designat för att dra full nytta av samtida "superdatorer". Dessa är i princip många vanliga datorer kopplade ihop. Så, Att köra en stor simulering bygger snabbt på att dela upp beräkningarna mellan superdatorns alla delar.

SWIFT uppskattar hur lång tid varje beräkningsuppgift i simuleringen kommer att ta och försöker noggrant dela arbetet jämnt för maximal effektivitet. Precis som ett nytt stort teleskop, detta hoppa till 1, 000 gånger högre upplösning avslöjar detaljer vi aldrig sett förut.

Exoplaneter och bortom

Förutom att lära sig mer om Uranus specifika historia, en annan viktig motivation är att förstå planetbildningen mer allmänt. På senare år har vi har upptäckt att den vanligaste typen av exoplaneter (planeter som kretsar runt andra stjärnor än vår sol) är ganska lika Uranus och Neptunus. Så allt vi lär oss om den möjliga utvecklingen av våra egna isjättar strömmar in i vår förståelse av deras långt avlägsna kusiner och utvecklingen av potentiellt beboeliga världar.

En spännande detalj som vi studerade som är mycket relevant för frågan om utomjordiskt liv är en atmosfärs öde efter ett gigantiskt nedslag. Våra högupplösta simuleringar avslöjar att en del av atmosfären som överlever den första kollisionen fortfarande kan avlägsnas genom den efterföljande våldsamma utbuktningen av planeten. Bristen på en atmosfär gör en planet mycket mindre sannolikt att vara värd för liv. Sedan igen, kanske kan den enorma energitillförseln och det tillsatta materialet bidra till att skapa användbara kemikalier för livet också. Stenigt material från den stötande kroppens kärna kan också blandas in i den yttre atmosfären. Det betyder att vi kan leta efter vissa spårämnen som kan vara indikatorer på liknande effekter om vi observerar dem i en exoplanets atmosfär.

Många frågor kvarstår om Uranus, och jätteeffekter i allmänhet. Även om våra simuleringar blir mer detaljerade, vi har fortfarande mycket att lära. Många människor efterlyser därför ett nytt uppdrag till Uranus och Neptunus för att studera deras konstiga magnetfält, deras udda familjer av månar och ringar och till och med helt enkelt vad de egentligen är gjorda av.

Jag skulle väldigt gärna vilja se det hända. Kombinationen av observationer, teoretiska modeller och datorsimuleringar kommer i slutändan att hjälpa oss att förstå inte bara Uranus, men de otaliga planeterna som fyller vårt universum och hur de kom till.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.