Žybsniai Galaktikos centre (II)

Pirmame serijos rašinyje papasakojau apie stebėjimų duomenis, rodančius, jog mūsų Galaktikos centre esanti supermasyvi juodoji skylė, nors šiaip labai blyški, kone kasdien sužimba infraraudonųjų ir rentgeno spindulių diapazone. Pristačiau ir keletą modelių, kuriais bandomos paaiškinti tų žybsnių savybės. Tačiau, kaip ten minėjau, dauguma tų modelių nebando paaiškinti, koks pirminis šaltinis ar fizikinis procesas sukelia žybsnį, t.y. neatsako į klausimą, kurių galų akrecinio srauto aplink juodąją skylę savybės pasikeičia sykį per dieną (arba dažniau). Savo straipsnyje mes nagrinėjame vieną tokį procesą; dabar jį ir pristatysiu.

Tam, kad suprastume, apie ką eina kalba, reikia pažvelgti į situaciją truputį didesniu masteliu. Na tarkim centrinio parseko dydžio. Centriniame Galaktikos parseke, be juodosios skylės Sgr A*, yra dar ir tūkstančiai žvaigždžių. Didelė jų dalis susiformavo visai neseniai – vos prieš 6 milijonus metų (kitos yra bent 100 mln. metų amžiaus). Visai gali būti, kad aplink tas jaunas žvaigždes susiformavo ir protoplanetiniai diskai; Galaktikos centre panašių darinių neaptikta, tačiau žinoma, kad tokio amžiaus žvaigždės kitur Galaktikoje protoplanetinius diskus dažniausiai turi. Aišku, centriniame parseke sąlygos yra šiek tiek kitokios, visų pirma, gerokai didesnis žvaigždžių tankis, tačiau kelių dešimčių astronominių vienetų atstumu nuo žvaigždės aplinkinių žvaigždžių įtaka vis dar menka, o planetų formavimasis vyksta būtent ten.

Protoplanetiniuose diskuose dulkės kaupiasi į gniutulus, kurie virsta akmenimis, o tie – planetomis. Šio proceso detalės vis dar nežinomos, tačiau stebėjimai rodo, jog per keletą milijonų metų po žvaigždės užsidegimo, protoplanetiniame diske nusistovi apytikrė pusiausvyra tarp didelių ir mažų objektų. Didelių objektų yra mažiau, nei mažų (tai visiškai nenuostabu, nes mažam objektui egzistuoti lengviau), tačiau tam tikro dydžio objektų kiekio santykis su tam tikro kitokio dydžio objektų kiekiu yra daugmaž nekintamas. Tokį sąryšį galima aprašyti matematiškai, nurodant, jog tam tikro linijino (ta prasme ne tūrio, bet tiesinio išmatavimo) dydžio objektų kiekis yra proporcingas tam dydžiui, pakeltam tam tikru laipsniu, ir šis laipsnio rodiklis nekinta labai dideliame dydžių intervale – nuo mikrometrų iki dešimčių ar net šimtų kilometrų. Laipsnio rodiklis stebimiems protoplanetiniams diskams paprastai yra labai artimas -3,5; bet tai jau detalės, į kurias gilintis šiame populiariame pristatyme nebūtina. Svarbu atsiminti, kad per keletą milijonų metų prie žvaigždės atsiranda daug įvairaus dydžio objektų – nuo mažyčių dulkelių iki visai nemažų asteroidų.

Kuo gi tai susiję su Sgr A* ir jos žybsniais? Tuojau paaiškinsiu, viskam savas laikas. Dabar jau reikia atsižvelgti į ypatingas centrinio parseko savybes, t.y. tą jau minėtą didelį žvaigždžių tankį ir juodosios skylės egzistavimą. Protoplanetiniuose diskuose dažnai vyksta objektų migracija, ir ypač mažesni objektai dažnai yra išstumiami tolyn nuo žvaigždės (manoma, kad taip susiformavo mūsų Saulės sistemoje egzistuojantys Kuiperio žiedas ir Oorto debesis). Jei tie maži objektai išlekia taip toli nuo žvaigždės, kaip Kuiperio žiedas, t.y. nutolsta per kelias dešimtis ar net šimtą astronominių vienetų, aplinkinių žvaigždžių arba juodosios skylės gravitacija gali juos visiškai atplėšti nuo motininės sistemos ir paleisti skrajoti laisvai centriniame parseke. Iš to regiono asteroidai pabėgti neturi galimybių, nes juodosios skylės trauka yra pakankamai didelė, kad juos ten išlaikytų. Šitaip po truputį asteroidai palieka žvaigždes, prie kurių gimė, ir suformuoja debesį aplink juodąją skylę, besisukantį panašiai, kaip ir pačios žvaigždės. Nuo senųjų žvaigždžių turėtų būti pabėgę jau visi asteroidai, o nuo jaunųjų – dar tik dalis, bet taip pat jau nemenka. Taigi debesis nuolat pasipildo naujais nariais ir greičiausiai taip darė nuolatos beveik nuo pat Paukščių Tako atsiradimo prieš dešimt milijardų metų.

Besisukančius centriniame parseke asteroidus vis dar veikia žvaigždžių gravitacija (į kitų asteroidų trauką galime neatsižvelgti, nes ji yra santykinai labai silpna). Asteroidai yra tampomi į visas puses ir juda šiek tiek chaotiškai. Bendras to chaoso efektas – asteroidų judesio kiekio momento persiskirstymas: kai kurie asteroidai kartais įgyja daugiau to momento, kiti praranda. Ir kartais atsitinka taip, kad asteroidas praranda beveik visą judesio kiekio momentą, taigi jo orbita tampa kritimu beveik tiesiai į Sgr A*. Jei kritimas yra pakankamai tikslus, kad asteroidas pasiektų maždaug 1 astronominio vieneto atstumą, prasideda įdomūs dalykai.

Vieno astronominio vieneto atstumu nuo Sgr A* juodosios skylės gravitacija yra tokia stipri, kad asteroidas nebegali išsilaikyti sukibęs dėl savo paties gravitacijos. Asteroidas suskaldomas į gabaliukus; toks procesas vadinamas potvyniniu suardymu. Gabaliukų dydis priklauso nuo asteroido pradinės struktūros ir cheminės sudėties, bet turėtų neviršyti vieno kilometro; didesni asteroidai jau tikrai laikosi sukibę dėl gravitacijos, o ne dėl cheminių jungčių. Panašiu atstumu nuo Sgr A* būtų suardomos ir žvaigždės; manoma, kad tai įvyksta maždaug kas 100 tūkstančių metų ir sukelia didžiulį, net keletą metų trunkantį žybsnį. Dešimties kilometrų spindulio ir didesni asteroidai (vėliau pamatysime, jog mažesni mums neįdomūs) taip arti juodosios skylės turėtų atlėkti kas keletą valandų, netgi dažniau, nei stebimi žybsniai. Tačiau yra dar viena problema – žvaigždės sudarytos iš plazmos, taigi suardytos pavirsta dujų srautu, kuris greitai susisuka į apskritiminį akrecinį diską dėl skysčio savybių. Asteroidų gabalai yra pavieniai ir, jei juos veiktų tik juodosios skylės gravitacija, pralėktų pro šalį ir išlėktų tolyn (arba įkristų pro įvykių horizontą), nesukėlę jokio iš toli matomo efekto.

Čia mus „išgelbsti“ akrecinio srauto, egzistuojančio aplink Sgr A*, plazma. Asteroido likučiai, skriedami pro ją, dėl trinties įkaista iki dešimčių tūkstančių laipsnių temperatūros. Tokioje temperatūroje net geležis, iš kurios gali būti sudaryti kai kurie asteroidai, lydosi ir garuoja, o anglis – pagrindinis asteroidų sandaros elementas – sublimuoja labai sparčiai. Per keletą valandų tokio skridimo asteroido gabaliukai paprasčiausiai išgaruoja, pavirsta dujomis, ir įsilieja į akrecinį srautą. Per tiek laiko jie nespėja smarkiai nutolti nuo Sgr A*, taigi potvyniškai sudarkyto asteroido liekanos pasilieka arti juodosios skylės. Asteroidas, lekiantis šiek tiek toliau, nei vieno astronominio vieneto nuotoliu, taip pat aptirpsta ir ima garuoti, bet, būdamas nesuardytas, garuoja lėčiau ir nulekia tolyn smarkiai nepakitęs. Mažyčiai, mažesni nei kilometro skersmens, asteroidai gali išgaruoti ir didesniu atstumu nuo Sgr A*, tačiau, kaip minėjau, mums rūpi didesni.

Taigi per keletą valandų nuo to laiko, kai asteroidas priartėja per vieną astronominį vienetą nuo Sgr A*, jis pavirsta dujų kamuoliu. Palyginus su akrecinio srauto plazma, kurios temperatūra siekia dešimtis ar net šimtus milijardų laipsnių, asteroido liekana yra labai šalta (dešimt tūkstančių laipsnių), tačiau gerokai didesnio tankio, tad ima garuoti; susiformuoja besiplečianti uodega. Toks dviejų tipų plazmos mišinys yra labai nestabilus, jame pradeda formuotis smūginės bangos, sūkuriai ir kitokie trumpalaikiai objektai, kurie sparčiai kaitina šaltąją plazmą. Taip pat jie leidžia plazmos dalelėms – elektronams ir jonams (daugiausia protonams, bet asteroidas atneša sunkesnių jonų) – pasiekti energijos balansą. Ramiame akreciniame sraute egzistuoja greičių balansas, kuris reiškia, kad beveik visa energija sutelkta gerokai sunkesniuose jonuose (vien protonas už elektroną masyvesnis beveik 2000 kartų). Atsiradus energijos balansui besiplečiančioje asteroido uodegoje, elektronai staiga įgyja greičius, dešimtis kartų didesnius, nei protonų greičiai. Tokie elektronai jau gali spinduliuoti rengteno ir infraraudonuosius spindulius taip smarkiai, kad vienas mažytis regionas nustelbtų viso akrecinio srauto skleidžiamą spinduliuotę.

Kiek energijos išsiskiria proceso metu? Sunku atsakyti į šį klausimą tiksliai, bet apytikriai galime sakyti, jog išspinduliuojama yra nemaža dalis asteroido rimties masės energijos. Paprastai akrecijos metu išspinduliuojama energijos dalis yra apie 10%, taigi grubiam paskaičiavimui paimame šią vertę. Tada nustatome, jog pastebimi žybsniai sukuriami tada, kai pradinis asteroido spindulys viršija dešimt kilometrų. Toks asteroidas šalia Sgr A* yra suskaldomas į šimtus ar net tūkstančius gabalėlių, kurie juda beveik visi kartu, tačiau garuoja atskirai. Jų spindesys susilieja į vieną ir yra matomas kaip žybsnis.

Taigi apibendrinant turime tokį scenarijų. Aplink juodąją skylę Sgr A* skrieja ne tik žvaigždės, bet ir debesis asteroidų bei kitokių kietų objektų, kurie susiformavo prie žvaigždžių, bet buvo nuo jų atplėšti. Kartais žvaigždžių gravitacijos sukeliamos perturbacijos patraukia asteroidus taip, kad jie ima skrieti tiesiai Sgr A* link. Priartėję per vieną astronominį vienetą, asteroidai yra suardomi juodosios skylės gravitacijos ir išgaruoja akreciniame sraute. Atsiradęs plazmos kamuolys ima kaisti ir garuoti, aplink jį kyla įvairūs plazmos nestabilumai, kurie labai smarkiai įgreitina buvusio asteroido elektronus. Elektronai įgyja tokią didelę energiją, kad ima spinduliuoti infraraudonųjų ir rentgeno spindulių diapazone. Ši spinduliuotė gali nustelbti viso likusio akrecinio srauto spinduliuotę, jei tik pradinio asteroido spindulys buvo didesnis, nei 10 km. Tokio dydžio asteroidai prie Sgr A* per vieną astronominį vienetą priartėja keletą kartų per dieną.

Va toks tas mūsų modelis. Trečiame ciklo rašinyje papasakosiu apie tai, kas būna, kad prie Sgr A* pernelyg prisiartina planetos arba dideli dujų debesys.

Laiqualasse

5 comments

  1. O is tikruju ten tiesiog ateiviai (na, netikslu juos vadinti ateiviais kai jie niekur neatejo – nezemiskos civilizacijos ;)) naudojasi juodaja skyle, kad keliauti tarp galaktiku. Tiesiog nukreipi zvaigzdelaivi link juodosios skyles, del tavo aprasytu procesu issiskiria daugybe energijos, ta energija panaudoji sukurti wormhole ir viso gero galaktika. :)

    Tai dar paaiskintu, kodel nematome nezemisku civilizaciju (ateiviu ;)) netoli Saules. Praktiskai visos jos gravituoja (pun intended :P) link Galaktikos centro, nes tik is ten gali keliauti tarp galaktiku. Tuo tarpu pakrastys, kur esame mes, yra tiesiog uzkampis i kuri sunku patekti ir is kurio sunku kur nors kitur isskristi. :) (Siek tiek tai panasu i „slow zone“ ideja pateikta Vernor Vinge).

    Kada planuoji ginti disertacija? Ar dar daug liko?

    1. Fainos idėjos :) Galima būtų ir kokį apsakymą apie tai parašyti.

      Disertaciją ginsiu šiemet, kada tiksliau – nežinau, bet turbūt į metų pabaigą.

      1. Ka planuoji toliau? Post-doc’a ten pat ar kur nors kitur? Ar iskart assistant professor? Ar dar kiti planai?

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *