How Did Uranus End Up On Its Side?

Como Urano terminou de lado?

By Jacob Kegerreis, Durham University | January 24, 2019 06:57am ET

Uranus seen in this false-color view from NASA's Hubble Space Telescope.

Credit: NASA

Uranus is arguably the most mysterious planet in the solar system – we know very little about it. So far, we have only visited the planet once, with the Voyager 2 spacecraft back in 1986. The most obvious odd thing about this ice giant is the fact that it is spinning on its side.
Unlike all the other planets, which spin roughly "upright" with their spin axes at close to right angles to their orbits around the sun, Uranus is tilted by almost a right angle. So in its summer, the north pole points almost directly towards the sun. And unlike Saturn, Jupiter and Neptune, which have horizontal sets of rings around them, Uranus has vertical rings and moons that orbit around its tilted equator.
The ice giant also has a surprisingly cold temperature and a messy and off-centre magnetic field, unlike the neat bar-magnet shape of most other planets like Earth or Jupiter. Scientists therefore suspect that Uranus was once similar to the other planets in the solar system but was suddenly flipped over. So what happened? Our new research, published in the Astrophysical Journal and presented at a meeting of the American Geophysical Union, offers a clue.

Cataclysmic collision

Our solar system used to be a much more violent place, with protoplanets (bodies developing to become planets) colliding in violent giant impacts that helped create the worlds we see today. Most researchers believe that Uranus' spin is the consequence of a dramatic collision. We set out to uncover how it could have happened.
We wanted to study giant impacts on Uranus to see exactly how such a collision could have affected the planet's evolution. Unfortunately, we can't (yet) build two planets in a lab and smash them together to see what really happens. Instead, we ran computer models simulating the events using a powerful supercomputer as the next best thing.
The basic idea was to model the colliding planets with millions of particles in the computer, each representing a lump of planetary material. We give the simulation the equations that describe how physics like gravity and material pressure work, so it can calculate how the particles evolve with time as they crash into each other. This way we can study even the fantastically complicated and messy results of a giant impact. Another benefit of using computer simulations is that we have full control. We can test a wide variety of different impact scenarios and explore the range of possible outcomes.

Our simulations (see above) show that a body at least twice as massive as the Earth could readily create the strange spin Uranus has today by slamming into and merging with a young planet. For more grazing collisions, the impacting body's material would probably end up spread out in a thin, hot shell near the edge of Uranus' ice layer, underneath the hydrogen and helium atmosphere.
This could inhibit the mixing of material inside Uranus, trapping the heat from its formation deep inside. Excitingly, this idea seems to fit with the observation that Uranus' exterior is so cold today. Thermal evolution is very complicated, but it is at least clear how a giant impact can reshape a planet both inside and out.

Super computations

The research is also exciting from a computational perspective. Much like the size of a telescope, the number of particles in a simulation limits what we can resolve and study. However, simply trying to use more particles to enable new discoveries is a serious computational challenge, meaning it takes a long time even on a powerful computer.
Our latest simulations use over 100m particles, about 100-1,000 times more than most other studies today use. As well as making for some stunning pictures and animations of how the giant impact happened, this opens up all sorts of new science questions we can now begin to tackle.
This improvement is thanks to SWIFT, a new simulation code we designed to take full advantage of contemporary "supercomputers". These are basically lots of normal computers linked up together. So, running a big simulation quickly relies on dividing up the calculations between all parts of the supercomputer.
SWIFT estimates how long each computing task in the simulation will take and tries to carefully share the work evenly for maximum efficiency. Just like a big new telescope, this jump to 1,000 times higher resolution reveals details we have never seen before.

Exoplanets and beyond

As well as learning more about the specific history of Uranus, another important motivation is understanding planet formation more generally. In recent years, we have discovered that the most common type of exoplanets (planets that orbit stars other than our sun) are quite similar to Uranus and Neptune. So everything we learn about the possible evolution of our own ice giants feeds in to our understanding of their far distant cousins and the evolution of potentially habitable worlds.

Uranus seen by Voyager 2.

Credit: NASA/JPL-Caltech

One exciting detail we studied that is very relevant to the question of extraterrestrial life is the fate of an atmosphere after a giant impact. Our high resolution simulations reveal that some of the atmosphere that survives the initial collision can still be removed by the subsequent violent bulging of the planet. The lack of an atmosphere makes a planet a lot less likely to host life. Then again, perhaps the massive energy input and added material might help create useful chemicals for life as well. Rocky material from the impacting body's core can also get mixed into the outer atmosphere. This means we can look for certain trace elements which might be indicators of similar impacts if we observe them in an exoplanet's atmosphere.
Lots of questions remain about Uranus, and giant impacts in general. Even though our simulations are getting more detailed, we still have lots to learn. Many people are therefore calling for a new mission to Uranus and Neptune to study their strange magnetic fields, their quirky families of moons and rings and even simply what precisely they're actually made of.
I would very much like to see that happen. The combination of observations, theoretical models and computer simulations will ultimately help us understand not only Uranus, but the myriad planets that fill our universe and how they came to be.
Jacob Kegerreis, PhD Student, Computational Astronomy, Durham University
This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article. Follow all of the Expert Voices issues and debates — and become part of the discussion — on Facebook, Twitter and Google +. The views expressed are those of the author and do not necessarily reflect the views of the publisher. This version of the article was originally published on Space.com.

Júpiter pôs Mercúrio na linha

“Salto” brusco do gigante gasoso há mais de 4 bilhões de anos teria empurrado o menor planeta do Sistema Solar para sua órbita atual

IGOR ZOLNERKEVIC | ED. 245 | JULHO 2016

© NASA / JPL / USGS

Mercúrio: órbita alongada e inclinada teria sido causada por interação gravitacional com Júpiter há 4 bilhões de anos

Entender as origens de Mercúrio, o menor planeta do Sistema Solar, é um dos problemas em aberto da dinâmica planetária que mais perturbam os especialistas. Sua minúscula massa, quase 20 vezes menor que a da Terra, e singular órbita em torno do Sol, a mais alongada e inclinada de todos os planetas do sistema, não conseguem ser explicadas pela maioria dos modelos de formação planetária. Até meados dos anos 1990, a explicação mais aceita era a de que todos os planetas do sistema solar teriam se formado mais ou menos na mesma posição em que hoje se encontram. Com a descoberta confirmada, nos últimos 20 anos, de quase 3 mil planetas em órbita de outras estrelas que não o Sol, os chamados exoplanetas, compondo sistemas diferentes do solar, a condição peculiar de Mercúrio se configura cada vez mais como uma exceção na galáxia – e novas explicações sobre sua condição ganharam espaço.

Um trabalho recente dos cientistas planetários Fernando Roig e Sandro Ricardo de Souza, do Observatório Nacional (ON), no Rio de Janeiro, e do checo David Nesvorný, do Instituto de Pesquisa do Sudoeste, no Colorado, Estados Unidos, defende uma nova hipótese para justificar a estranha localização de Mercúrio, cuja órbita se encontra 7 graus inclinada em relação ao plano orbital médio dos outros planetas. Baseados em simulações em computador de como teria sido a dinâmica do Sistema Solar há mais de 4 bilhões de anos, os pesquisadores sugerem que a órbita do planeta se alongou e inclinou demais em razão de um grande evento. Em algum momento durante os primeiros 500 milhões de anos do Sistema Solar, a interação gravitacional entre um hipotético planeta gasoso e gigante, do tamanho de Urano, e Júpiter, também gasoso e gigante, teria alterado as condições locais. O planeta desconhecido teria sido ejetado do sistema e feito Júpiter se deslocar bruscamente em direção ao Sol. O “pulo” de Júpiter teria empurrado Mercúrio para sua posição atual (ver infográfico).

Esse suposto evento é conhecido como Júpiter Saltitante. Segundo essa teoria, o pulo de Júpiter teria sido capaz de dar origem à atual órbita de Mercúrio e também garantir a estabilidade da trajetória de todos os planetas rochosos, incluindo a Terra, em torno da estrela. “Parece um contrassenso”, reconhece Roig, “mas tudo indica que os planetas gigantes gasosos precisaram passar por uma fase de instabilidade para que os rochosos permanecessem estáveis”. Nas simulações, o salto na órbita de Júpiter provocado pela expulsão do planeta hipotético quase não altera as órbitas dos planetas rochosos, com exceção de Mercúrio. Roig explica que, caso Júpiter tivesse percorrido seu caminho mais lentamente em vez de ter dado um pulo na direção do Sol, a órbita de Mercúrio poderia ter se tornado ainda mais alongada e inclinada do que é hoje. Se isso tivesse ocorrido, Mercúrio poderia ter sido ejetado do Sistema Solar ou colidido com seu vizinho, Vênus. Segundo o astrofísico, tal choque provocaria um efeito em cascata que destruiria todos os planetas rochosos. Júpiter precisou dar um pulo para que os planetas rochosos sobrevivessem”, sugere Roig.

Há pouco mais de 20 anos, a maioria dos pesquisadores acreditava que os planetas do Sistema Solar teriam se formado, grosso modo, na mesma posição ocupada atualmente, por meio de um processo lento e suave de acréscimo de gás e poeira. Esses modelos previam que outras estrelas deveriam dar origem a sistemas planetários parecidos com o solar, com duas populações distintas de planetas: os rochosos, de tamanho parecido com o da Terra, próximos da estrela; e os gigantes gasosos, como Júpiter ou Saturno, mais afastados. “A descoberta de exoplanetas mudou radicalmente essa ideia”, explica Roig. “Vimos que há uma variedade de configurações planetárias muito diferentes do nosso Sistema Solar.”

Análises estatísticas das características de todos os sistemas de exoplanetas descobertos até hoje sugerem que estrelas parecidas com o Sol tendem a ter sistemas planetários bem diferentes, muitos deles compostos de planetas rochosos duas a três vezes maiores que a Terra, com órbitas mais próximas de suas estrelas do que a de Mercúrio está do Sol. A órbita de Júpiter, quase circular e bem afastada do Sol, também destoa do que é observado em muitos sistemas exoplanetários.
 

Nuvem primordial de gás e poeira
 
É consenso entre os astrônomos que o Sol e seus planetas começaram a se formar há 4,6 bilhões de anos, quando uma nuvem gigantesca de gás e poeira no espaço interestelar colapsou pela ação da força gravitacional de sua própria massa. Havia então um núcleo esférico de gás, que deu origem ao Sol, cercado por um disco de matéria a partir do qual tomaram corpo os planetas. Os primeiros mundos a se formar teriam sido os gigantes gasosos, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno, e algumas dezenas de milhões de anos mais tarde os planetas rochosos, Mercúrio, Venus, Terra e Marte. Alguns pesquisadores especulam que Mercúrio teria se originado a partir dos fragmentos de uma primeira geração de planetas rochosos maiores, com massas semelhantes à da Terra, e mais próximos do Sol do que Mercúrio está atualmente.

O processo de formação dos gigantes gasosos teria durado menos de 10 milhões de anos. Nessa época ainda havia no espaço entre os planetas uma quantidade razoável de gás remanescente da matéria do disco a partir do qual eles se originaram. O arrasto do gás fez com que os planetas tendessem a migrar para perto do Sol. Em algum momento, porém, a atração gravitacional mútua entre Júpiter e Saturno teria invertido o sentido de migração dos dois gigantes gasosos, afastando-os do Sol. Esse movimento de ida e volta dos gigantes gasosos é chamado pelos pesquisadores de grand tack, uma alusão a uma manobra dos barcos a vela, o tacking, quando seu curso é revertido em relação à direção do vento. Logo após o grand tack, os planetas rochosos atuais já teriam se formado ou estariam perto de se formar mais ou menos em suas posições atuais.

As órbitas dos gigantes gasosos deviam ser bem diferentes. Júpiter estaria um pouco mais afastado do Sol do que está atualmente, enquanto os demais gigantes gasosos estariam muito mais próximos de Júpiter e uns dos outros. É possível que os gigantes gasosos tenham permanecido nessa configuração mais compacta que a atual por até 500 milhões de anos. Muito próximos, porém, eles deveriam ser constantemente perturbados pela força gravitacional uns dos outros. Além disso, esses planetas poderiam sofrer, ainda, com a presença de muitos corpos menos massivos – planetesimais – no meio de suas órbitas.

Os gigantes foram se livrando desses planetesimais aos poucos, empurrando-os em direção aos confins do Sistema Solar, onde hoje se encontram o chamado cinturão de Kuiper, cujo corpo mais famoso é Plutão, e a nuvem de Oort. Em 2005, os astrônomos Hal Levison, Alessandro Morbidelli, Kleomentis Tsiganis e Rodney Gomes, este último também pesquisador do ON, apresentaram simulações em computador mostrando como, a partir dessa situação inicial instável, os gigantes gasosos teriam lentamente se afastado uns dos outros, migrando durante alguns milhões de anos até suas posições atuais.

Conhecida como modelo de Nice, por ter sido criada quando seus autores trabalhavam juntos no Observatório da Costa Azul, na cidade francesa, a teoria ganhou destaque por explicar a arquitetura atual dos planetas gigantes. Em 2009, porém, o astrônomo holandês Ramon Brasser notou que a lenta migração dos gigantes gasosos prevista pelo modelo de Nice teria uma grande chance de ter provocado uma série de colisões planetárias. A movimentação dos gigantes gasosos poderia ter resultado na expulsão de um deles – normalmente Urano – do Sistema Solar.

Para resolver essa inconsistência, o astrônomo David Nesvorný, do Instituto de Pesquisa do Sudoeste, que atualmente colabora com Roig como pesquisador visitante no ON, propôs, em 2011, que o Sistema Solar teria tido um quinto planeta gigante gasoso, de tamanho semelhante ao de Urano ou Netuno. Nesvorný calculou que a ejeção desse planeta hipotético teria feito com que a distância da órbita de Júpiter ao Sol passasse de 5,5 vezes a distância da Terra ao Sol para 5,2 vezes em menos de 100 mil anos. “Na escala de tempo de formação do Sistema Solar, essa mudança de órbita teria ocorrido em um tempo muito curto. Por isso a descrevemos como um salto de Júpiter”, explica Roig. “O modelo de Nice funciona bem para explicar os gigantes gasosos, mas logo se percebeu que a migração suave dos gigantes prevista por essa teoria dificultaria a formação dos planetas rochosos”, justifica o astrônomo Othon Winter, especialista em dinâmica planetária da Universidade Estadual Paulista (Unesp), campus de Guaratinguetá. “Até agora, o Júpiter Saltitante é a única solução que se conhece para esse problema.”

Mundos errantes
 
Em colaboração com outros pesquisadores, incluindo o astrônomo Valerio Carruba, da Unesp, Roig e Nesvorný indicaram recentemente que o cenário do Júpiter Saltitante também poderia explicar algumas características do cinturão de asteroides entre Marte e Júpiter. O resultado das simulações publicadas em março na revista Icarus oferece uma explicação de por que os astrônomos não conseguem observar no cinturão as evidências de grandes colisões anteriores a 4 bilhões de anos entre asteroides. No artigo, os autores afirmam que a presença do hipotético quinto gigante, e sua posterior expulsão do sistema, teria embaralhado as órbitas dos asteroides a ponto de apagar qualquer evidência desses choques.
A ideia de que um planeta gigante gasoso escapou do Sistema Solar e se desgarrou de sua estrela não é tão maluca quanto parece. Roig lembra que astrônomos já observaram efeitos de lente gravitacional na luz de estrelas que podem ser atribuídos à passagem de planetas gigantes vagando pelo espaço interestelar. Alguns pesquisadores estimam que haja milhares de mundos errantes na Via Láctea. “Não existe maneira de esses corpos se formarem longe de estrelas”, explica Roig. “Eles devem ter surgido em um sistema planetário e depois foram ejetados.”

Projeto
 
Famílias de asteroides em ressonâncias seculares (nº 2014/06762-2); Modalidade Auxílio à Pesquisa – Regular; Pesquisador responsável Valerio Carruba (Unesp); Investimento R$ 31.200,00.

Artigos científicos
 
ROIG, F. et al. Jumping Jupiter can explain Mercury’s orbit. Astrophysical Journal Letters. v. 820, n. 2. 24 mar. 2016.

BRASIL, P. I. O. et al. Dynamical dispersal of primordial asteroid families. Icarus. v. 266, p. 142-151, 1º mar. 2016.

ROIG, F. & NESVORNÝ, D. The evolution of asteroids in the jumping-Jupiter migration model. The Astrophysical Journal. v. 150, n. 6. 1º dez. 2015