天王星可以说是太阳系中最神秘的行星——我们对它知之甚少。到目前为止，我们只访问过这颗行星一次，那就是 1986 年的 旅行者 2 号 探测器。这颗冰巨星最明显的怪异之处在于它侧身旋转。
与其他所有行星不同，其他行星的旋转大致是“直立”的，它们的自转轴与绕太阳公转的轨道几乎成直角，而天王星则倾斜了近乎一个直角。因此，在它的夏天，北极几乎直接指向太阳。与拥有围绕其水平方向的行星环的土星、木星和海王星不同，天王星拥有垂直的行星环，其卫星也围绕着它倾斜的赤道运行。
这颗冰巨星的温度也异常寒冷，磁场杂乱且偏离中心，不像地球或木星等大多数其他行星那样具有整齐的条形磁铁形状。因此，科学家们怀疑天王星曾经与其他太阳系行星相似，但被突然翻转了。那么发生了什么？我们发表在《天体物理学杂志》上，并在美国地球物理联合会的一次会议上展示的新研究，提供了一个线索。
灾难性碰撞
我们的太阳系曾经是一个更加混乱的地方，原行星（正在发展成为行星的天体）在剧烈的巨型撞击中碰撞，这有助于形成我们今天看到的世界。大多数研究人员认为，天王星的自转是一次剧烈碰撞的结果。我们着手揭示它是如何发生的。
我们想研究天王星上的巨型撞击，以确切了解这样的碰撞如何影响这颗行星的演化。不幸的是，我们（还）无法在实验室里建造两颗行星并将它们撞在一起，看看实际发生了什么。相反，我们使用强大的超级计算机运行计算机模型来模拟这些事件，作为次优选择。
基本思路是用计算机中的数百万个粒子来模拟碰撞的行星，每个粒子代表一团行星物质。我们将描述引力、物质压力等物理学原理的方程输入模拟，以便它能够计算出粒子在相互碰撞时如何随时间演化。这样，我们就可以研究巨型撞击所产生的极其复杂和混乱的结果。使用计算机模拟的另一个好处是我们拥有完全的控制权。我们可以测试各种不同的撞击场景，并探索各种可能的结果。
我们的模拟（见上文）表明，一个至少是地球两倍质量的天体，通过猛烈撞击并合并一颗年轻的行星，就可以轻易地造成天王星如今这种奇怪的自转。对于更侧面的碰撞，撞击体物质可能会扩散开来，形成一层薄而热的壳，位于天王星冰层边缘附近，氢和氦大气层下方。
这可能会抑制天王星内部物质的混合，将形成过程中的热量困在深处。令人兴奋的是，这个想法似乎与天王星外层如今如此寒冷的观测结果相符。热演化非常复杂，但巨型撞击如何重塑行星的内部和外部至少是清晰的。
超级计算
这项研究从计算的角度来看也令人兴奋。就像望远镜的大小一样，模拟中的粒子数量限制了我们可以解析和研究的内容。然而，仅仅尝试使用更多的粒子来实现新的发现是一个严峻的计算挑战，这意味着即使在强大的计算机上，也需要很长时间。
我们最新的模拟使用了超过 1 亿个粒子，比当今大多数其他研究使用的粒子数多约 100 到 1000 倍。除了制作出关于巨型撞击如何发生的惊人图片和动画外，这还开启了我们可以开始解决的各种新的科学问题。
这项改进得益于我们设计的、充分利用了当代“超级计算机”的新的模拟代码 SWIFT。这些基本上是许多连接在一起的普通计算机。因此，快速运行一个大型模拟取决于在超级计算机的所有部分之间分配计算任务。
SWIFT 估算模拟中每个计算任务的耗时，并尝试仔细地平均分配工作以获得最大效率。就像一台巨大的新望远镜一样，这种达到 1000 倍更高分辨率的飞跃揭示了我们以前从未见过的细节。
系外行星及更远
除了了解天王星的具体历史外，另一个重要的动机是更普遍地理解行星的形成。近年来，我们发现最常见的系外行星类型（围绕非太阳恒星运行的行星）与天王星和海王星相当相似。因此，我们对我们自己的冰巨星的可能演化所学到的一切，都将有助于我们理解它们遥远的表亲以及潜在宜居世界的演化。
我们研究的一个非常相关的令人兴奋的细节是关于地外生命的问题，即巨型撞击后大气的命运。我们高分辨率的模拟显示，在最初碰撞中幸存下来的一些大气层，仍可能被随后剧烈的行星隆起所清除。缺乏大气层使得行星不太可能孕育生命。不过，也许巨大的能量输入和增加的物质有助于创造对生命有用的化学物质。撞击体核心的岩石物质也可能混入外层大气。这意味着，如果我们观察系外行星大气中的某些微量元素，它们可能表明发生了类似的撞击。
关于天王星和巨型撞击，仍然有许多问题。尽管我们的模拟越来越详细，但我们仍然有很多东西需要学习。因此，许多人呼吁开展一项新的天王星和海王星探测任务，以研究它们奇怪的磁场、奇特的卫星家族和行星环，甚至仅仅是它们究竟是由什么构成的。
我非常希望看到这种情况发生。观测、理论模型和计算机模拟的结合，最终将帮助我们不仅理解天王星，还理解我们宇宙中无数的行星以及它们是如何形成的。
Jacob Kegerreis 是杜伦大学计算天文学博士生。本文最初发布在 The Conversation。
