Jacob Kegerreis: kuidas Uraan külili läks?

Uraanus. Foto: NASA

Teadlaste seas on levinud kahtlus, et Uraan oli kunagi samasugune nagu teised päikesesüsteemi planeedid, aga siis «kukkus» järsku külili. Mis võis juhtuda? Ühe vihje pakub vastne uuring, kirjutab Durhami Ülikooli arvutusliku astronoomia doktorant Jacob Kegerreis veebiväljaandes The Conversation.

Uraan on päikesesüsteemi salapärasemaid planeete, mille kohta meie teadmised on õige napid. Me oleme seni jõudnud planeedini ainult korra, nimelt sondiga Voyager 2 juba 1986. aastal. Jäähiiglase kummalisim omadus on kahtlemata tõik, et see pöörleb külje peal.

Erinevalt kõigist teistest planeetidest, mis pöörlevad enam-vähem «püsti», nii et nende pöörlemistelg on ligikaudu täisnurga all orbiidiga, mida mööda nad ümber Päikese tiirlevad, on Uraan peaaegu täisnurga all kaldu. Nii osutab planeedi põhjapoolus suvel peaaegu otseti Päikese suunas. Erinevalt Saturnist, Jupiterist ja Neptuunist, mida ümbritsevad horisontaalsed rõngad, on Uraanil vertikaalsed rõngad ja kuud, mis pöörlevad ümber planeedi kaldus ekvaatori.

Samuti iseloomustab jäähiiglast üllatavalt külm temperatuur ning segasevõitu, tsentrist väljas magnetväli, mis erineb tunduvalt enamiku teiste planeetide, näiteks Maa või Jupiteri, korrapärasest pulgakujust. Seepärast on teadlaste seas levinud kahtlus, et Uraan oli kunagi samasugune nagu teised päikesesüsteemi planeedid, aga siis «kukkus» järsku külili. Mis võis juhtuda? Ühe vihje pakub meie vastne uuring, mis ilmus ajakirjas «Astrophysical Journal» ja kanti ette Ameerika Geofüüsikaliidu koosolekul.

Kataklüsmiline kokkupõrge

Meie päikesesüsteem oli varem väga maruline paik, kus protoplaneedid (taevakehad, millest hiljem kujunesid planeedid) põrkasid tohutu jõuga kokku, luues nii viimaks maailmad, mida me täna näha võime. Enamik uurijaid usub, et Uraani iseärasused ongi sellise dramaatilise kokkupõrge tagajärg. Me kavatsesime selgitada, kuidas see võis juhtuda.

Me tahtsime uurida Uraani hiiglaslikke kokkupõrkekraatreid mõistmaks, kuidas täpselt on niisugune kokkupõrge võinud mõjutada planeedi edasist arengut. Paraku ei oska me (veel) ehitada laboris kaht planeeti ja panna nad kokku põrkama, et näha, mis tegelikult juhtub. Selle asemel laseme käiku sündmusi matkivad arvutimudelid võimsatel superarvutitel.

Meie põhiidee oli mudeldada arvutis kokkupõrkavaid planeete miljonite osakestega, mis kõik kujutaksid endast planeedimaterjali kamakat. Me toetasime simulatsiooni võrranditega, mis kirjeldavad füüsika, näiteks gravitatsiooni ja eri ainete surve toimet, mis lubab välja arvutada, kuidas kokku põrkavad osakesed ajas edenevad. Nii on meil võimalik käsile võtta isegi veel üüratumalt keerulisema ja kaootilisema hiigelkokkupõrke tulemused. Samuti on arvutisimulatsiooni puhul alati meie käes täielik kontroll. Me võime järele proovida hulga erinevaid kokkupõrkestsenaariume ja uurida mitmesuguseid võimalikke tulemusi.

Meie simulatsioonid näitasid, et noore planeediga otseti kokku põrganud ja liitunud taevakeha, mille mass on vähemalt kahe Maa jagu, võib tõepoolest tekitada Uraanile praegu iseloomuliku kentsaka pöörlemise. 

Meie simulatsioonid näitasid, et noore planeediga otseti kokku põrganud ja liitunud taevakeha, mille mass on vähemalt kahe Maa jagu, võib tõepoolest tekitada Uraanile praegu iseloomuliku kentsaka pöörlemise. Kergema, rohkem kriimustava kokkupõrke korral oleks tabanud keha materjal tõenäoliselt moodustanud õhukese kuuma kesta Uraani jääkihi serval, vesinikust ja heeliumist atmosfääri all.

See võis tõkestada Uraani enda aine segunemise, lubamata planeedi sisemuses tekkida soojusel. Vaimustaval moel sobib see kokku vaatlusandmetega, mis kinnitavad, et Uraani sisemus on praegu väga külm. Temperatuurimuutuste arengu selgitamine on erakordselt keeruline, aga vähemalt on selge, kuidas hiiglaslik kokkupõrge võib muuta planeeti nii väljast kui ka seest.

Superarvutused

Uurimus oli vaimustav ka arvutite poole pealt vaadates. Nagu teleskoobi puhul suurus, nii simulatsiooni korral osakeste arv piirab seda, mida ja kui palju me uurida saame. Ent lihtsalt rohkemate osakeste tarvitamine uute avastuste tegemiseks on arvutile väga ränk ülesanne, mis tähendab, et isegi võimsal arvutil võtab see tükk aega.

Me kasutasime viimastes simulatsioonides üle saja miljoni osakese ehk sada kuni tuhat korda enam kui enamikus tänapäeva uuringutes. Lisaks vapustavatele piltidele ja animatsioonidele, kuidas hiigelkokkupõrge toimus, annab see võimaluse esitada väga mitut laadi uudseid küsimusi, millega me võime nüüd tegelema hakata.

Niisugune edenemine on saanud teoks tänu SWIFT-ile, uudsele simulatsioonikoodile, mille me lõime selleks, et täiel määral ära kasutada võimeid, mida pakuvad tänapäeva «superkompuutrid». Sisuliselt kujutavad need endast hulka omavahel ühendatud tavalisi arvuteid. Mis tähendab, et ulatusliku simulatsiooni kiire läbiviimine nõuab arvutuste hoolikat ärajagamist superarvuti kõigi osade vahel.

SWIFT hindab, kui kaua võtab aega iga simulatsiooni arvutus, ning püüab tööülesande maksimaalse tõhususe huvides võrdselt ära jagada. Nagu uue suure teleskoobi puhul, paljastab selline tuhat korda parem lahutusvõime detaile, mida me varem ei ole näinud.

Eksoplaneedid ja muugi

Lisaks konkreetselt Uraani ajaloo uurimisele on meid tagant kihutanud soov mõista planeetide kujunemise protsessi üldisemalt. Viimastel aastatel oleme avastanud, et eksoplaneetide (planeedid, mis tiirlevad mõne muu tähe ümber kui meie Päike) levinuim tüüp sarnaneb üsnagi Uraanile ja Neptuunile. Niisiis kõik, mida suudame välja uurida meie enda süsteemi jäiste hiiglaste kohta, täiendab meie teadmisi nende kaugete sugulaste ja potentsiaalselt elamiskõlblike maailmade kohta.

Meie kõrglahutusega simulatsioonid näitasid, et vähemalt osaliselt võib atmosfäär, mis elas üle esialgse kokkupõrke, ikkagi kaduda planeedi järgnevate võimsate paisumiste ja kokkutõmbumiste laine käigus. 

Üks erutav detail, mida me uurisime ja mis on väga tihedalt seotud maavälise elu küsimusega, puudutas atmosfääri saatust pärast hiigelkokkupõrget. Meie kõrglahutusega simulatsioonid näitasid, et vähemalt osaliselt võib atmosfäär, mis elas üle esialgse kokkupõrke, ikkagi kaduda planeedi järgnevate võimsate paisumiste ja kokkutõmbumiste laine käigus. Atmosfääri puududes ei ole just väga usutav, et planeedil oleks elu. Teiselt poolt võib võimas energiasisend ja lisandunud materjal tulla kasuks eluks vajalike kemikaalide loomisel. Tabanud taevakeha tuuma kivine materjal võib välisatmosfääris seguneda. See tähendab, et me võime otsida teatavaid jälgi, mis viitaksid samasugustele kokkupõrgetele, ka siis, kui uurime eksoplaneedi atmosfääri.

Uraan ja hiigelkokkupõrked üldisemalt esitavad meile veel väga palju küsimusi. Isegi kui simulatsioonid muutuvad aina detailsemaks, seisab meil ees veel pikk teadmiste omandamise tee. Seepärast on kõlanud üleskutseid saata uued sondid Uraani ja Neptuuni juurde, et uurida nende veidrat magnetvälja, iseäralikke kuude ja rõngaste perekondi ja isegi seda, millest täpselt need planeedid koosnevad.

Mulle meeldiks väga, kui see teoks saaks. Vaatluste, teoreetiliste mudelite ja arvutisimulatsioonide koostöös suudame ehk lõpuks mõista paremini lisaks Uraanile veel loendamatuid planeete, mis asustavad meie universumit.

Inglise keelest eesti keelde ümber pannud Marek Laane