Čia turėtų būti kaip ir tęsinys rašliavos apie galaktikas ir jų evoliuciją lyg ir nurodančius sąryšius. Tačiau begalvodamas apie tai, kaip pristatyti šiluminius efektus, supratau, kad neišsiversiu be šiek tiek žargono, kurio pristatymui nepakenktų atskiras įrašas. Taigi žemiau aprašysiu keletą įdomių šiluminių efektų, atsirandančių gravitaciškai surištose sistemose.

Visų pirma turbūt praverstų apibrėžti, kas yra „gravitaciškai surišta sistema“ (angl. gravitationally bound system). Tai tokia dalelių sistema – gali būti dujų debesis, gali būti kietas kūnas – kuri išlaiko bent apytikrę nekintančią formą dėl savo pačios gravitacinės traukos. Vienas pavyzdys – Žemė. Jei ne gravitacinė sąveika, visos uolos išsilakstytų į šalis ir imtų aplink Saulę suktis atskirai viena nuo kitos. Aišku, jei gravitacinė sąveika išnyktų visiškai, tai ir aplink Saulę tos uolos nesisuktų, ir pačios Saulės nebeliktų – termobranduolinės reakcijos ją iškart susprogdintų į gabaliukus. Taip, Saulė taip pat yra gravitaciškai surišta. Kaip ir dujų debesys, sklandantys Galaktikoje. Kaip ir pati Galaktika ir kitos galaktikos. Gana grubiai galima teigti, jog visi objektai, didesni nei ~1 km ir mažesni nei keli šimtai megaparsekų (didžiausių galaktikų spiečių dydžiai; dar žr. čia), palikti patys sau (t.y. jei jų neveikia potvyniniai efektai), yra gravitaciškai surišti. Mažesniuose objektuose, ypač didelės atominės/molekulinės masės, cheminiai ryšiai tampa svarbesni.

Gravitaciškai surištos sistemos viena iš pagrindinių savybių yra ta, kad jos suminė energija (potencinės energijos, susidarančios dėl gravitacinės traukos, ir vidinės energijos, susidarančios dėl dalelių judėjimo, vibracijų, nuolatinių cheminių/branduolinių reakcijų ir t.t., suma) yra neigiama. O jei sistema yra „nurimusi“, ta prasme jei ji surišta buvo jau ilgą laiką ir per tą laiką jos vidaus ir artimiausios aplinkos savybės keitėsi nesmarkiai, tai energijos pasiskirstymą galima apibrėžti dar tiksliau, naudojantis virialine teorema (virial theorem; deja, nežinau oficialaus lietuviško vertimo). Ši teorema teigia, kad tokioje sistemoje absoliuti potencinės energijos vertė yra lygiai dvigubai didesnė už kinetinės energijos vertę. Ta potencinė rišančioji energija ir neleidžia objektui išsilakstyti į visas puses, o kinetinė energija – atsirandanti ir dėl mums gerai suvokiamo mechaninio objektų judėjimo (pvz. žvaigždžių dvinarėje sistemoje – tokia sistema irgi yra virializuota), ir dėl temperatūros, kuri yra ne kas kita, kaip statistinė objektų kinetinės energijos išraiška – neleidžia objektui kolapsuoti į vieną tašką.

Šitokį balansą dujinėse sistemose galima įsivaizduoti ir šiek tiek kitaip. Centre esančios tankesnės įkaitusios dujos sukuria slėgį, kuris neleidžia išoriniams sluoksniams sukristi į vidų. Iš šitokio vaizdo suformuluojamas hidrostatinės pusiausvyros principas (hydrostatic equilibrium) – slėgio (arba tankio) priklausomybė nuo atstumo iki sferinio objekto centro. Išvedamas jis iš gana elementarių formulių, surišančių slėgį su tankiu (dP = rho*g*dz, g = G M(z) / z^2, M = 4*pi*int_0^z(rho(z) z^2 dz); ne, šitų formulių atsiminti nebūtina :)). Beje, čia niekur tiesiogiai nėra minima temperatūra – svarbus yra slėgis, kuris dujų atveju su temperatūra susijęs tiesiškai: P = nkT, kur n yra dujų dalelių rankis, o k – Bolcmano konstanta. Žinant šį slėgį, galima suskaičiuoti ir temperatūrą, reikalingą pusiausvyrai palaikyti. Tačiau tą padaryti paprasčiau yra paskaičiavus dujų dalelių energiją ir pritaikius virialinę teoremą. Šiluminė vienos dalelės energija yra 3/2kT arba 5/2kT (priklausomai nuo to, ar dujos vienatomės, ar dviatomės). Virialinė teorema sako, kad ši energija turėtų būti lygi tiksliai pusei absoliučios gravitacinės potencinės energijos, o pastaroji išreiškiama GMm/R; čia G yra gravitacinė konstanta, M – masė, sutelkta arčiau debesies centro, nei rūpima dalelė, m – pačios dalelės masė, o R – atstumas iki debesies centro. Sulyginus šias dvi išraiškas (prieš tai padvigubinus kinetinę energiją) gaunama temperatūros vertė T=GMm/3kR. Ši temperatūra vadinama virialine temperatūra. Jei dujų temperatūra pakyla virš šios vertės, debesis ima plėstis; ir atvirkščiai, jei temperatūra yra žemesnė, debesis ima trauktis (ir kaisti, kol pasiekiamas balansas). Beje, panašiai mąstant galima apibrėžti ir makroskopinių objektų (planetų, žvaigždžių) „temperatūrą“, tik ji yra nesuvokiamai milžiniška ir naudojimui nepraktiška.

Kas atsitinka, kai sistema išvedama iš pusiausvyros? Jeigu išvedimas yra labai greitas (pvz. debesies centre sprogsta supernova), tai viskas gali išsilakstyti į gabalus ir sistemos išvis nebelikti. Bet jei procesas vyksta lėtai, atsitinka įdomių dalykų. Pavyzdžiui įsivaizduokime, kad debesis pradiniu momentu yra virializuotas ir nesisuka. Jo temperatūra greičiausiai sieks keletą tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių laipsnių. Tokios temperatūros objektas ims švytėti (apie tai, kodėl susidaro spektrai, truputį rašinėjau anksčiau), ir tą darys netgi ryškiau, nei Saulė (temperatūra panaši, taigi ir spinduliuotės srautas panašus; tačiau debesies spindulys gerokai didesnis, o šviesis proporcingas paviršiaus plotui). Na o spinduliavimas yra energijos praradimas. Bet jis paprastai vyksta lėtai, gerokai lėčiau nei dujų judėjimas (detaliau apie šitą greičių palyginimą parašysiu ateityje). Tai reiškia, kad dujos visą laiką išlieka pusiausviros, nes spėja persiskirstyti vidinę energiją.

Kas iš to? Atsimenate virialinę teoremą? Potencinė energija plius dviguba vidinė energija lygi nuliui. Bet bendra sistemos energija yra lygi potencinės ir vidinės energijos sumai, arba, kitaip perrašius, neigiamai vidinei energijai. Spinduliuojant energija prarandama, bet virialumas išlaikomas. Vadinasi, sistemos vidinė energija didėja. O vidinė enerija dažnai yra pagrinde šiluminė. Taigi gaunama paradoksali situacija, kad energiją prarandantis kūnas kaista! Ir tai nėra jokia klaida – tai tikrai teisingas rezultatas, parodantis skirtumą tarp energijos ir temperatūros. Taip pat dėl šitos priežasties gali susiformuoti žvaigždės: debesis spinduliuoja, praranda energiją, kaista ir traukiasi; įkaitęs spinduliuoja dar labiau, procesas spartėja, kol galų gale temperatūra pakyla iki tokių aukštumų (virš 10 milijardų laipsnių), kad prasideda termobranduolinės reakcijos – gimsta žvaigždė. Tada sistemos sandara pasikeičia – reakcijos gamina energiją, kurios užtenka palaikyti žvaigždės struktūrą ir neleisti jai susitraukti į vieną tašką. Tos energijos yra netgi per daug, taigi žvaigždė spinduliuoja.

Aišku, žvaigždės iš besitraukiančių debesų susiformuoja ne visada: jei debesies (ar jo fragmento) masė per maža, jį kažkuriuo metu ima palaikyti elektromagnetinė molekulių ir atomų sąveika – susiformuoja planeta. Taip atsitinka, kai fragmento masė nesiekia 13 Jupiterio masių. Jupiteris, beje, po truputį vis dar spinduliuoja energiją ir traukiasi, tik tas procesas vyksta labai labai lėtai. Kitu atveju, kai masė yra didelė, bet nėra galimybių vykti termobranduolinėms reakcijoms (pvz. nėra kuro), kolapsas vyksta tol, kol jam priešintis ima reliatyvistiniai efektai – elektronų arba neutronų slėgis, atsirandantis dėl jų negalėjimo būti viename erdvės taške vienu metu. Tokiu atveju susiformuoja baltoji nykštukė (iki 1,4 Saulės masių) arba neutroninė žvaigždė (iki trijų Saulės masių). Na o jei masė per didelė net ir tiems procesams, kolapso rezultatas yra juodoji skylė. Šie trys objektai susiformuoja žvaigždžių gyvenimo pabaigoje, kai visas kuras sudega. Formavimosi procesai paprastai būna spartūs ir jiems šis aukščiau aprašytas paaiškinimas netinka, bet iš principo veikiantys efektai yra panašūs.

Manau, kad šiam kartui jau užteks. Kitą sykį jau tikrai parašinėsiu apie šiluminius efektus, kuriuos akrecija ant juodųjų skylių sukelia artimoje (ir ne visai) aplinkoje.