Galaktikos ir panašūs grožiai

Šiemet sukanka 10 metų nuo vieno tokio mokslinio straipsnio atspausdinimo Astrophysical Journal ‘laiškų’ skiltyje. Sakyti, kad tas straipsnis apvertė aukštyn kojomis mūsų supratimą apie galaktikų evoliuciją galbūt kiek ir per drąsu, bet galvas pasukti ir pradėti mąstyti kita linkme jis tikrai privertė. Šios sukakties proga, bei dar ir dėl to, kad mano tyrimai glaudžiai susiję su šia tema, pasistengsiu trumpai pristatyti, kas tai per dalykas, kuo jis svarbus, ir ką mes suvokiame apie galaktikas ir jų vystymąsi. Į vieną straipsnį netilpsiu, taigi turbūt bus kokių keturių ar penkių įrašų ciklas. You have been warned.

Nuo pat pirmųjų stebėjimų, kurių rezultatai leido spėti, jog galaktikų centruose egzistuoja ypatingai didelės masės ypatingai tankūs objektai – tolesni stebėjimai vis griežčiau tvirtino, jog tai juodosios skylės – mokslininkai teoretikai ėmė ieškoti atsakymo į klausimą, koks ryšys yra tarp šių juodųjų skylių ir galaktikų, kuriose jos ‘gyvena’. Kažkoks ryšys tikrai turi būti: žinoma, kad juodosios skylės egzistuoja beveik visose galaktikose, išskyrus pačias mažiausias. Tas ryšys negali būti vien gravitacinis: kaip rašiau anksčiau, juodosios skylės masė sudaro vos maždaug vieną tūkstantąją, o gal ir dar mažiau, galaktikos masės, taigi juodosios skylės gravitacija realiai veikia tik kelis centrinius galaktikos šviesmečius. Pora labai žymių astrofizikų iškėlė mintį, kad sąryšis remiasi energija, išspinduliuota į juodąją skylę krentančios materijos. Tos energijos visiškai pakaktų ‘išpūsti’ dujas iš tūkstantį kartų sunkesnės galaktikos, taip sustabdant žvaigždžių formavimąsi ir sukuriant sąryšį tarp juodosios skylės masės ir galaktikos masės, nes išspinduliuota energija yra daugmaž tiesiogiai proporcinga juodosios skylės masei. Porą metų atrodė, kad tai ir yra trūkstama grandis, paaiškinanti, kaip sąveikauja galaktikos su savo centriniais objektais.

Bet tada, prieš dešimt metų, kiti du mokslininkai, nagrinėdami daugybės galaktikų stebėjimų duomenis, padarė labai paprastą, bet kartu ir labai svarbų atradimą. Paaiškėjo, kad egzistuoja labai glaudus sąryšis tarp juodosios skylės masės M ir galaktikos centrinės eliptinės dalies (vadinamojo baldžo, angl. bulge) žvaigždžių judėjimo greičių sklaidos, standartiškai žymimos graikiška mažąja raide sigma. Tas sąryšis – M proporcinga beveik tiksliai ketvirtam sigmos laipsniui – visiškai neatitiko ankstesnio energetinio paaiškinimo, tačiau dar sykį patvirtino, kad juodoji skylė privalo sąveikauti su galaktikos dalimis, nutolusiomis per tūkstančius šviesmečių. Tad senas klausimas iškilo iš naujo.

Atsakymo labai ilgai laukti nereikėjo. Po trijų metų dar vienas teoretikas sukūrė modelį, panašiai kaip ir ankstesnis besiremiantį energija, išspinduliuojama į juodąsias skyles krentančios materijos. Tačiau jis įvertino tai, kad ta energija ‘nupučia’ tik dalį galaktikoje esančių dujų, būtent tą dalį, kuri yra labai netoli juodosios skylės. Tokiu būdu susidaro ‘vėjas’, pučiantis nuo juodosios skylės į visas puses. Šis vėjas yra labai karštas (dujos jame pasiekia milijardų ar net trilijonų laipsnių temperatūrą), tačiau taip pat labai retas (taip pat milijardus ar net trilijonus kartų retesnis, nei galaktikos baldže esančios dujos). Šis vėjas laisvai sklisti gali labai netoli – gal kokį šviesmetį ar panašiai – o toliau nuo centro susiduria su tomis šaltomis bei tankiomis aplinkos dujomis. Susidūrimo vietoje atsiranda smūginė banga, kuri aplinkines dujas smarkiai įkaitina, tačiau jos čia pat ir atšąla iki pusiausvyros su juodosios skylės spinduliuotės temperatūra – jau ‘tik’ dešimčių milijonų laipsnių. Tokios temperatūros dujų sukuriamas savasis slėgis yra nykstamai mažas, palyginus su slėgiu, susidarančiu dėl karšto vėjo smūgių į šaltas dujas, taigi į jį galima nekreipti dėmesio. Šitaip juodosios skylės poveikis aplinkai praranda maždaug 95 procentus energijos, o likęs mechaninis (t.y. ne šiluminis) slėgis dujas iš baldžo išstumti gali tada, kai juodosios skylės masė yra beveik tiksliai lygi stebimam sąryšiui.

Atidesnis skaitytojas po šio paaiškinimo turbūt paklaus – "o prie ko čia žvaigždžių greičių sklaida?" Klausimas labai geras, o atsakymas į jį – dvilypis. Visų pirma, yra žinoma, kad gravitaciškai surištose tolygios materijos sistemose ši greičių sklaida (t.y. vidutinis greitis, kuriuo juda dujos ar kitos dalelės), jei materija juda daugmaž izotropiškai (visomis kryptimis vienodai, t.y. sistema neturi vienos sukimosi ašies), kiekviename taške yra lygi tą tašką atitinkančiam apskritiminio sukimosi greičiui, padalintam iš 1.414, t.y. kvadratinės šaknies iš dviejų. Na o to sukimosi greičio kvadratas yra tiesiogiai proporcingas arčiau sistemos centro esančiai masei ir atvirkščiai proporcingas atstumui iki sistemos centro. Dujų masė priklauso nuo jų tankio, taigi, truputį pavarčius visokias gražias lygtis, galima gauti dujų tankio priklausomybę nuo greičių sklaidos. O greičių sklaidą galima išmatuoti stebėjimų pagalba. Šie stebėjimai rodo, kad daugumoje galaktikų greičių sklaida beveik nekinta visame baldže – iš to gaunama, jog materijos tankis yra atvirkščiai proporcingas atstumo iki galaktikos centro kvadratui. Na o šį tankį jau galima paversti dujų mase, darant prielaidą, kad dujų tankio atstuminė priklausomybė yra tokia pati, kaip ir visos materijos. ‘Visa materija’, ankstyvųjų besivystančių galaktikų atveju, yra beveik vien tamsioji materija plius tos pačios dujos – žvaigždžių ten dar labai mažai. Taip jau išeina, kad dujų svoris tokios materijos kuriamame gravitaciniame lauke nepriklauso nuo atstumo – iš to seka, kad jei juodosios skylės vėjo stūma yra pakankamai stipri, kad nupūstų dujas arti juodosios skylės, tai ji jas nustums ir bet kurioje kitoje galaktikos vietoje.

Antras dalykas yra tas, kad žvaigždės, kurių dabar pilna galaktikose, susiformavo iš tų pačių dujų, šios kolapsuojant į mažesnius ir tankesnius objektus, kurie galiausiai nušvito termobranduoliniais žiburėliais kosmoso debesyse ir tyruose. Vadinasi, žvaigždžių greičių sklaida turi bent apytikriai atitikti pradinę dujų greičių sklaidą. Pilnas tokio atitikimo paaiškinimas yra sudėtingesnis, nei šie du sakiniai, bet principas lieka tas pats.

Taigi viskas kaip ir paaiškinta? Tikrai ne. Apie šio modelio trūkumus ir bandymus pataisyti ar pakeisti – kitą kartą. Tikiuosi, kad kažką supratote. Jei kažko nesupratote – nesivaržykite klausti, nes tik taip padidinsite tikimybę, kad kitą kartą bus aiškiau.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.