天王星がなぜ横向きになったのかがようやく判明した

天王星は、太陽系で最も謎に満ちた惑星と言えるでしょう。私たちは天王星についてほとんど何も知りません。これまで、私たちは 1986 年にボイジャー 2 号宇宙船で一度だけこの惑星を訪れました。この氷の巨星の最も明らかな奇妙な点は、横向きに回転しているという事実です。

自転軸が太陽の周りの軌道に対してほぼ直角でほぼ「垂直」に回転する他のすべての惑星とは異なり、天王星はほぼ直角に傾いています。そのため、夏の間、北極はほぼ太陽の方向を向いています。また、水平にリングが巻かれている土星、木星、海王星とは異なり、天王星は垂直のリングと衛星を持ち、傾いた赤道の周りを周回しています。

この氷の巨星は、地球や木星のような他のほとんどの惑星のきれいな棒磁石の形とは異なり、驚くほど低温で、磁場が乱雑で中心からずれている。そのため科学者は、天王星はかつては太陽系の他の惑星と似ていたが、突然ひっくり返ったのではないかと推測している。では、何が起こったのだろうか？天体物理学ジャーナルに掲載され、アメリカ地球物理学連合の会議で発表された私たちの新しい研究が、その手がかりを提供している。

破滅的な衝突

私たちの太陽系はかつては今よりはるかに激しい場所で、原始惑星（惑星になる前の天体）が激しく衝突して巨大衝突を起こし、現在の世界が作られました。研究者の多くは、天王星の自転は劇的な衝突の結果だと考えています。私たちは、それがどのように起こったのかを解明しようと試みました。

私たちは、天王星への巨大衝突を研究し、そのような衝突が惑星の進化にどのような影響を与えたかを正確に知りたかったのです。残念ながら、実験室で 2 つの惑星を作り、それらを衝突させて実際に何が起こるかを見ることは (まだ) できません。その代わりに、次善の策として、強力なスーパーコンピューターを使用して、コンピューター モデルを実行してイベントをシミュレートしました。

基本的なアイデアは、衝突する惑星をコンピューター内の何百万もの粒子でモデル化し、各粒子が惑星の物質の塊を表すというものでした。重力や物質の圧力などの物理現象を説明する方程式をシミュレーションに与えて、粒子が互いに衝突したときに時間とともにどのように変化するかを計算できるようにします。こうすることで、巨大衝突の非常に複雑で厄介な結果さえも研究することができます。コンピューター シミュレーションを使用するもう 1 つの利点は、完全な制御ができることです。さまざまな衝突シナリオをテストして、起こり得る結果の範囲を調査できます。

私たちのシミュレーション（上記参照）によると、地球の少なくとも2倍の質量を持つ天体は、若い惑星に激突して合体することで、現在の天王星のような奇妙な回転を容易に作り出すことができる。より接近した衝突の場合、衝突した天体の物質は、おそらく水素とヘリウムの大気の下、天王星の氷層の端近くの薄くて熱い殻の中に広がることになるだろう。

これにより、天王星内部の物質の混合が妨げられ、天王星形成時の熱が内部深くに閉じ込められる可能性がある。興味深いことに、この考えは、現在天王星の外部が非常に冷たいという観察結果と合致しているようだ。熱進化は非常に複雑だが、巨大衝突が惑星の内外をどのように作り変えることができるかは少なくとも明らかである。

スーパー計算

この研究は、計算の観点からも興味深いものです。望遠鏡のサイズと同様に、シミュレーション内の粒子の数によって、解析して研究できる範囲が制限されます。しかし、単に粒子の数を増やして新しい発見を可能にすることは、計算上の大きな課題であり、強力なコンピューターでも長い時間がかかります。

私たちの最新のシミュレーションでは、1億個以上の粒子を使用しています。これは、今日の他のほとんどの研究で使用されている粒子の約100～1,000倍に相当します。これにより、巨大衝突がどのように起こったかを示す素晴らしい写真やアニメーションが作成されるだけでなく、私たちが取り組むことができるさまざまな新しい科学的疑問が生まれます。

この改善は、現代の「スーパーコンピューター」を最大限に活用するために設計された新しいシミュレーション コードである SWIFT のおかげです。これらは基本的に、多数の通常のコンピューターを連結したものです。したがって、大規模なシミュレーションを迅速に実行するには、計算をスーパーコンピューターのすべての部分に分割する必要があります。

SWIFT は、シミュレーション内の各コンピューティング タスクにかかる時間を予測し、最大限の効率を得るために作業を慎重に均等に分担しようとします。まるで新しい大型望遠鏡のように、解像度が 1,000 倍に向上したことで、これまで見たことのない詳細が明らかになります。

太陽系外惑星とその先

天王星の特定の歴史についてさらに学ぶことに加え、惑星の形成をより一般的に理解することも重要な動機です。近年、最も一般的なタイプの太陽系外惑星（太陽以外の恒星を周回する惑星）は、天王星と海王星に非常に似ていることが発見されました。したがって、地球の氷の巨星の進化の可能性について私たちが学ぶことはすべて、それらのはるか遠くの親戚や、居住可能な可能性のある世界の進化についての理解につながります。

私たちが研究した興味深い詳細の 1 つは、地球外生命の問題に非常に関連している、巨大衝突後の大気の運命です。高解像度のシミュレーションにより、最初の衝突を生き延びた大気の一部は、その後の惑星の激しい膨張によって除去される可能性があることが明らかになりました。大気がないと、惑星が生命を宿す可能性は大幅に低くなります。しかし、大量のエネルギーの投入と追加された物質は、生命にとって有用な化学物質の生成にも役立つ可能性があります。衝突した天体の核からの岩石質物質も外部の大気に混ざる可能性があります。つまり、太陽系外惑星の大気で観察すれば、同様の衝突の指標となる可能性のある特定の微量元素を探すことができます。

天王星、そして巨大衝突全般については、多くの疑問が残っています。シミュレーションはより詳細になってきていますが、まだ学ぶべきことがたくさんあります。そのため、多くの人が、天王星と海王星の奇妙な磁場、風変わりな衛星と環のグループ、さらにはそれらが実際に正確に何でできているかを研究するための新しいミッションを要求しています。

私はそれが実現するのをとても望んでいます。観測、理論モデル、コンピューターシミュレーションを組み合わせることで、最終的には天王星だけでなく、宇宙に広がる無数の惑星とその誕生の過程を理解するのに役立つでしょう。

ジェイコブ・ケゲレイスは、ダーラム大学の計算天文学の博士課程の学生です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。