Fermi burbulai ir ką jie glumina

Prieš keletą mėnesių buvo paskelbta Fermi kosminio teleskopo informacija, Lietuvos (ir ne tik) naujienų portalų „sugluminusi“ mokslininkus. Gal kažkas truputį ir „suglumino“, bet panašių „gluminimų“ pasitaiko tikrai dažniau nei sykį per metus, ir išsprendžiami (ar bent apytikriai suvokiami) jie pakankamai greitai. Tačiau šis „gluminimas“ artimai susijęs su mano tyrimų sritimi, taigi domėjausi juo kiek daugiau, ir dabar manau, kad galiu papasakoti plačiau, kas čia per reikalas.

Pradžioje – pora žodžių apie teleskopą. „Fermi“ gama spindulių kosminis teleskopas, į Žemės orbitą paleistas prieš dvejus su puse metų, dviem aparatais stebi dangų. Vienas aparatas – Gama-spindulių žybsnių stebėklis (Gamma-ray Burst Monitor, GBM) ieško keletą kartų per dieną įvairiose pusėse pasitaikančių gama spindulių žybsnių, kylančių, kaip manoma, mirštant labai masyvioms žvaigždėms. Kitas prietaisas – Didelio ploto teleskopas (Large Area Telescope, LAT) – fotografuoja dangaus plotus gama spindulių ruože, o jo duomenis analizuojantys mokslininkai siekia gauti informacijos apie tamsiąją materiją, aktyvias galaktikas, pulsarus ir kitus įdomius astrofizikinius objektus bei reiškinius.

Ir štai prieš pusmetį paskelbtas vienas Fermi-LAT atradimas. Pasirodo, mūsų Galaktikoje, statmenai Galaktikos disko plokštumai, pūpso du „burbulai“ – lašo formos struktūros, skleidžiančios gama spindulius. Šie lašai driekiasi net 7000 parsekų (o gal ir daugiau) nuo Galaktikos centro kiekvieno poliaus kryptimi, o ties viduriu susiaurėja iki nykstamai mažo pločio. Gama spindulius skleidžia juose esantys labai energingi elektronai, kurių bendra energija yra bent 10^55 ergų – tai toks energijos kiekis, kokį visos Paukščių Tako žvaigždės išspinduliuoja per daugiau nei tris tūkstančius metų. Kitaip tariant, labai nesvietiškai daug.


O štai ir burbulai visame gražume. Ne, jie ne taip ryškiai matyti, čia užfotošopinta, kad būtų aiškiau.

Kaip šitie lašai „suglumino“ astrofizikus? Jų didelė energija yra vienas iš aspektų. Kita keistenybė – geometrinis simetriškumas, kurio šiaip Visatoje pasitaiko nedažnai. Trečia keistenybė – geometrinis dydis, keliantis klausimų apie objekto amžių. Jei lašai yra sąlyginai jauni (kelių milijonų ar dešimčių milijonų metų amžiaus), tai jie išsipūsti turėjo labai sparčiai, materija judėjo 1000 km/s ar net didesniu greičiu – tai irgi ne toks jau dažnas reiškinys, ypač kalbant apie tokius didžiulius materijos kiekius. Iš kitos pusės, jei objektai yra gerokai senesni, tai jų pradinė energija turėjo būti dar didesnė, nei dabar; be to, laikui bėgant, taisyklinga lašų struktūra neabejotinai išsisklaidytų dėl sąveikos su aplinkine materija. Visiems šiems klausimams galima rasti atsakymų, ir keletas modelių buvo pasiūlyta. Svarbu atsirinkti, kuris modelis teisingas.

Nesu tikras, kiek modelių sukurta iš viso, bet žinau apie tris, todėl juos ir pristatysiu. Pirmasis modelis teigia, jog lašai yra supernovų sprogimų Galaktikos centrinėje dalyje pasėkmė, tam tikras jų „pėdsakas“. Supernovos sprogimo metu išsiskiria maždaug 10^53 ergų energijos kiekis, t.y. maždaug vienas procentas to, kiek reikėtų burbulams „užpildyti“. Taip pat supernovų metu medžiaga išsviedžiama tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu – pakankamai greitai, kad per milijoną metų nulėktų septynis kiloparsekus. Taigi atrodytų, kad koks šimtas-kitas supernovų galėtų išsviesti materiją, kuri statmenai Galaktikos plokštumai išsiplėstų į burbulą dėl gerokai mažesnio pasipriešinimo judėjimui ta kryptimi. Deja, bet toks modelis toli gražu nėra tinkamas. Visų pirma, didžioji dalis supernovos energijos išspinduliuojama neutrinais – dalelėmis, beveik nesąveikaujančiomis su atomais ir elektronais. Neutrinai išlekia patys sau, o aplinkinei materijai perduodama „tik“ maždaug 10^50 – 10^51 ergų, tad lašams užpildyti reikėtų nebe šimto, o 100 tūkstančių supernovų. Tačiau mūsų Galaktikoje viena supernova sprogsta maždaug kas šimtą metų, o centriniame Galaktikos telkinyje – išvis gal tik kas tūkstantį. Taigi reikalingas supernovų kiekis sprogtų per 10-100 milijonų metų. Kai sprogtų paskutinė iš šių supernovų, pirmosios liekanų nebūtų likę nė padujų. Čia išryškėja ir trečioji modelio problema – pavieniai „burbuliukai“, besiplečiantys Galaktikoje ir jos apylinkėse, niekaip negalėtų susilieti į vientisą lašą, nors ir plėstųsi labiau statmenai Galaktikos plokštumai, nei bet kuria kita kryptimi.

Kiti du modeliai susiję su Galaktikos centre esančia supermasyvia juodąja skyle ir jos artima aplinka. Šiuo metu skylė, vadinama SgrA* (Sgr – Šaulio žvaigždyno, t.y. Sagittarius, santrumpa; A* - daugmaž standartinis radijo bangų šaltinių žymėjimas, o šis objektas buvo aptiktas būtent radijo bangų diapazone), yra neaktyvi, t.y. aplink ją egzistuoja labai mažai „maisto“ – dujų ir dulkių, kurios galėtų sukristi į juodąją skylę ir išspinduliuoti dalį savo rimties masės-energijos. Tačiau taip buvo tikrai ne visada: SgrA* apylinkėse yra spiečius maždaug 6 milijonų metų senumo žvaigždžių. Jei tos žvaigždės ten ir susiformavo (o greičiausiai taip ir buvo), tai nemažas kiekis dujų galėjo pakliūti ir į juodąją skylę. Krisdamos nebūtin dujos spinduliavo daug energijos – trumpam laikotarpiui SgrA* pavirto „aktyvia“ juodąja skyle. Panašių aktyvumo požymių matyti daugelyje kitų galaktikų. Na o kai juodoji skylė yra aktyvi, tai aplink ją esanti materija gali patirti įvairių poveikių. Vienas toks poveikis – čiurkšlių (angl. jet) išspjovimas. Materija, besisukanti akreciniame diske aplink juodąją skylę, prie šios artėdama sukasi vis greičiau. Ir nors didžioji dalis materijos įkrenta pro įvykių horizontą, dalis gali „nuslysti“ jo pakraščiu, pasiekti juodosios skylės ašigalius (skylės paprastai sukasi, kaip ir žvaigždės ar planetos, taigi ir ašigalius turi) ir nuo jų būti „išspjauta“ labai sparčia ir sąlyginai plona kūgine srove. Tokios čiurkšlės yra matomos kitose galaktikose. Jei ši čiurkšlė „atsimuštų“ ir susimaišytų su pakankamu aplinkinės medžiagos kiekiu, tai tas mišinys galėtų išplisti į matomus burbulus.

Tačiau ir šis modelis susiduria su keletu problemų. Visų pirma, supermasyvių juodųjų skylių sukimosi ašis visiškai nebūtinai turi sutapti su galaktikų sukimosi ašimis. Tiesą sakant, stebėjimų rezultatai rodo priešingai – matomų čiurkšlių kryptys niekaip nekoreliuoja su galaktikų plokštumomis. Taigi būtų labai keista, jei čiurkšlė, išsiveržusi iš SgrA*, būtų nukreipta tiksliai statmenai Galaktikos plokštumai. Be to, ta čiurkšlė, besimaišydama su aplinkine medžiaga, prarastų tiek daug energijos, kad šiuo metu mišinys tikrai negalėtų spinduliuoti taip energingai, kaip yra matoma. Elementarus čiurkšlės energijos padidinimas modelio taip pat neišgelbsti, nes kuo didesnė energija, tuo greičiau ji nyksta, ir po susimaišymo likęs energijos kiekis beveik nepakinta. Galiausiai kyla klausimas, iš kur Galaktikos regionuose į „viršų“ ir „apačią“ nuo plokštumos ir centrinio telkinio gali atsirasti pakankamai materijos susimaišymui; atsakymo į šį klausimą nėra. Tad atrodo, kad viską įvertinus, čiurkšlės modelis taip pat negali paaiškinti burbulų atsiradimo.

Na ir dabar jau prieiname prie trečiojo modelio. Kaip minėjau, jis taip pat susijęs su supermasyvia juodąja skyle. Vėlgi galvojama apie jos aktyvumo periodą, tačiau dabar jau mąstoma ne apie čiurkšles, o apie materiją iškart už akrecinio disko ribų. Ta materija po truputį spaudžiasi į diskinę struktūrą, bet dėl temperatūros ir lėto judėjimo to nepadaro prieš „įsižiebiant“ juodąjai skylei. SgrA* šviesis aktyvumo metu turi būti milžiniškas – didesnis nei visų Galaktikos žvaigždžių, kartu sudėjus. Šviesa, kaip fotonų srautas, sklindantis į visas puses, turi ir slėgį. Tas slėgis veikia aplinkinę materiją ir gali ją „nupūsti“ tolyn. Jei dujų yra pakankamai nedaug (jų tankis mažesnis nei maždaug vienas procentas bendro Galaktikos tankio tame regione), slėgio užtenka, kad materija būtų „nupūsta“ tolyn. Susidaro nuo juodosios skylės pučiantis vėjas. Vėją sudaro labai didelę energiją įgavusios dujos, kurios pasiekia vis tolimesnius regionus ir juos vėl stumia tolyn. Taip pat vėjas yra gerokai retesnis, nei čiurkšlė, todėl negali sparčiai vėsti ir išlaiko savo energiją. Nors prireikia net keleto šimtų tūkstančių metų, bet besiplečiančio burbulo energija pasiekia tuos 10^55 ar net daugiau ergų, kurie yra Fermi pamatytuose burbuluose.

Besiplečiantį vėjo stumiamą dujų darinį „burbulu“ pavadinau neatsitiktinai. Kadangi juodoji skylė šviečia visomis kryptimis vienodai, tai ir vėjas pučia visomis kryptimis vienodai. Jei dar ir dujų tankis būtų vienodas visomis kryptimis, tai dujos plėstųsi taip pat visomis kryptimis vienodai ir susidarytų rutulio formos burbulas. Tačiau Galaktikos plokštumoje dujų tankis yra gerokai didesnis, nei statmenai jai, todėl burbulas į ašigalius plečiasi gerokai sparčiau ir susidaro Fermi užfiksuota „lašo“ forma. Be to, galima apskaičiuoti, kad būtent per 6 milijonus metų burbulas tikrai galėjo išsiplėsti iki dabar matomo septynių kiloparsekų dydžio. Apibendrinus atrodo, kad būtent toks „karšto vėjo“ modelis geriausiai paaiškina stebėjimų rezultatus.

Savaime suprantama, aprašinėdamas modelius praleidau daugybę detalių. Bet visgi tikiuosi, kad padėjau susidaryti tam tikrą vaizdą ne tik konkrečiai apie Fermi burbulus, bet ir apie įvairius modelius ir jų įvertinimą. Ačiū už skaitymą :)

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *