Kaip galaktikos tampa aktyviomis

Visatoje galaktikų yra bent šimtas milijardų - tiek, kiek žvaigždžių mūsų Galaktikoje. Maždaug viena iš dešimties ar keliolikos jų yra vadinama aktyvia. Galaktikų aktyvumas - ypatingai svarbi jų evoliucijos stadija, nulemianti tolesnę galaktikos bei jos aplinkos raidą. Čia trumpai paaiškinsiu, kokios galaktikos vadinamos aktyviomis ir kaip jos tokiomis tampa, o antroje straipsnio dalyje - apie aktyvumo poveikį visai galaktikai ir apylinkėms.

Šis straipsnis atsirado tik dėl to, kad mano skaitytojai Patreon platformoje dar vieną mėnesį - jau penktą iš eilės - duoda man pinigų. Jei panašių straipsnių norite matyti daugiau, mane paremti galite ir jūs.

Artimiausia mums aktyvi galaktika Kentauro A. Šis vaizdas – radijo, regimųjų ir rentgeno spindulių nuotraukų montažas, išryškinantis ir galaktikos struktūrą centre, ir aktyvaus branduolio sukurtus didžiulius burbulus abipus galaktikos disko. ©ESO/WFI (regimųjų spindulių nuotrauka); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (submilimetrinių/radijo); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (rentgeno)

Pradėkime nuo apibrėžimo. Aktyvia vadinama tokia galaktika, kurios centre matomas spinduliuotės šaltinis, atsirandantis ne dėl žvaigždžių spinduliuotės ir sudarantis reikšmingą dalį visos galaktikos spinduliuotės. Išsiaiškinkime jį truputį detaliau:

- Galaktika yra žvaigždžių, tarpžvaigždinės medžiagos ir tamsiosios materijos telkinys, kurio masė gali siekti nuo kelių milijonų (pačios mažiausios nykštukinės) iki kelių šimtų trilijonų Saulės masių;

- Galaktikos centre žvaigždžių tankis yra didesnis, nei bet kur kitur, taip pat daugumos galaktikų centruose egzistuoja supermasyvios juodosios skylės. Jos aptinkamos galaktikose, masyvesnėse nei maždaug milijardas Saulės masių. Jo masė siekia nuo kelių šimtų tūkstančių iki daugiau nei dešimties milijardų Saulės masių ir sudaro maždaug vieną 10000-ąją visos galaktikos masės dalį.

- Nežvaigždinė spinduliuotė yra tokia, kurios spektras, kintamumas laikui bėgant ar intensyvumas yra visiškai kitoks, nei būdinga žvaigždžių skleidžiamai spinduliuotei. Aktyviose galaktikose ši spinduliuotė kartais yra netgi ryškesnė, nei visų galaktikos žvaigždžių spinduliuotė.

Kaip atrodo aktyvi galaktika, galite pamatyti iliustracijoje žemiau:

Galaktika NGC 6814 Erelio žvaigždyne. ©NASA/ESA/HST

O čia palyginimui - neaktyvi galaktika:

Galaktika NGC 1309 Eridano žvaigždyne. ©NASA/ESA/HST

Akivaizdu, kad vien iš nuotraukų atskirti aktyvią galaktiką nuo neaktyvios nepavyks. Tą padaryti įmanoma keliais būdais. Pavyzdžiui, galima dairytis aktyvumo paliekamų pėdsakų, bet apie tai – kitą kartą; be to, toks metodas yra nelabai patikimas. Antrasis būdas – išmatuoti galaktikos spinduliuotės spektrą; aktyvių galaktikų centrinėse dalyse kuriama nežvaigždinė spinduliuotė turi reikšmingai kitokį spektrą, nei žvaigždžių skleidžiama. Trečiasis būdas – sumodeliuoti galaktikos šviesio profilį.

Galaktikos šviesio profilis - tai priklausomybė tarp šviesio, sklindančio iš atskirų galaktikos gabaliukų, ir tų gabaliukų atstumo nuo centro. Profilis gali būti dvimatis - galaktika sudalinama į daug kvadratinių ar panašios formos elementų, - arba vienmatis - šviesis vidurkinamas elipsės formos koncentriniuose žieduose. Mūsų tikslui puikiai pakanka vienmačio profilio. Išmatavę ir suvidurkinę šviesį bei nusibraižę profilį, galime bandyti jį aprašyti kaip tam tikrą funkciją (matematiškai išreiškiamą šviesio priklausomybę nuo atstumo - pavyzdžiui, kad atstumui didėjant, šviesis mažėja eksponentiškai). Jei viena funkcija niekaip neįmanoma atkurti viso profilio, galima sudėti dvi - jos atitinka, pavyzdžiui, galaktikos centrinio telkinio ir galaktikos disko skleidžiamą spinduliuotę. Bet kartais, priderinus vieną ar dvi funkcijas, dar lieka aiškus spinduliuotė intensyvumo pikas pačiame galaktikos centre. Plika akimi jis nesiskiria nuo spinduliuotės, sklindančios iš centrinio telkinio pačios centrinės dalies, tačiau šviesio profilis parodo, kad spinduliuotės ten yra tikrai per daug. Tada galime pagrįstai sakyti, jog galaktika turi aktyvų branduolį.

Galaktikos, turinčios diską ir aktyvų branduolį, šviesio profilis. Ilgesni punktyrai žymi disko šviesį, trumpesni – aktyvaus branduolio. Aktyvaus branduolio spinduliuotė sutelkta gerokai mažesniame plote, nei matome čia; ji yra tokia intensyvi, kad išsisklaido teleskopo detektoriuje. Juodi apskritimai yra duomenys, mėlyna linija – suminis šviesio profilis. Paimta iš Bizzocchi et al. (2014), arXiv:1401.7767

Kaip minėjau pradžioje, aktyvi yra maždaug viena galaktika iš keliolikos, arba 5-10%. Aplinkinėje Visatoje jų yra šiek tiek mažiau, tolimoje, iš kur spinduliuotė iki mūsų keliauja apie 10 milijardų metų, - daugiau, dar tolimesnėje - vėl mažiau. Skirtingu metu aktyvios yra skirtingos galaktikos, taigi galime teigti, jog tie 5-10% yra galaktikos gyvavimo dalis, kurią ji praleidžia aktyvioje būsenoje. Turint omeny, kad dauguma galaktikų susiformavo netrukus po Didžiojo sprogimo, jų gyvavimo laikai yra apie 10 milijardų metų. Tad kiekviena galaktika aktyvi yra 500 milijonų - milijardą metų.

Galaktikos aktyvumui atsirasti iš esmės reikalingi tik du ingredientai: juodoji skylė ir ją maitinančios dujos. Juodoji skylė iš galaktikos niekur nedingsta, o tik auga. Tad aktyvumą ar jo nebuvimą nulemia dujos, esančios prie juodosios skylės. Iš jau turimų duomenų galime daryti išvadą, kad jų ten yra 5-10% galaktikos gyvavimo laiko.

Į galaktikos centrinę dalį dujos atkeliauja dėl stochastinių procesų. Žodis „stochastinis“ reiškia, kad aptariami procesai yra iš anksto nenuspėjami ir vyksta gana atsitiktinai. Šiuo atveju svarbūs procesai yra dujų srautų ar dujų debesų tarpusavio gravitacinės sąveikos. Kiekvienoje galaktikoje esančios dujos telkiasi į debesis, vijas bei žiedus, kurie po galaktiką skrajoja įvairiomis orbitomis. Kartais debesys praskrenda labai arti vienas kito, arba arti dujų vijos, ir tarpusavio gravitacinė sąveika nusviedžia debesį tiksliai galaktikos centro link. Kartais susiduria priešingomis kryptimis judantys debesys ar dujų srautai – tada jų apskritiminis judėjimas pasinaikina ir abu nulekia artyn prie centro. Tokie procesai nėra dažni, ir net kai įvyksta, dujos nebūtinai pasiekia centrinę juodąją skylę, bet kas kelis milijonus metų centre atsiranda naujas dujų telkinys, galintis maitinti aktyvų branduolį.

Net jei dujų debesis prie juodosios skylės priartėja taip arti, kad galėtų ją pamaitinti, jis vis tiek nelekia tiesiu taikymu į tą mažytį – lyginant su galaktika ir netgi debesiu – juodą tašką. Debesies masės centras pralekia kažkokiu atstumu šone nuo juodosios skylės. Dalis debesies medžiagos gali pataikyti tiesiai į juodąją skylę, dalis lieka prie jo prikabinta gravitaciškai, o dalis pabėga tolyn. Tai vadinama potvyniniu debesies suardymu – juodosios skylės gravitacija, veikianti dalį debesies, tampa stipresnė, nei paties debesies dalių tarpusavio gravitacija, todėl debesis suyra. Prie juodosios skylės likusi dalis ima suktis aplink ją. Sukimasis reiškia, kad ji turi tam tikrą judesio kiekio momentą, o šis dydis yra tvarus. Tai reiškia, kad judesio kiekio momentas tiesiog pranykti negali, jis turi būti kažkam perduodamas. Aplink juodąją skylę gali būti žvaigždžių, kurios, skriedamos pro naujai atsiradusias dujas, pasiima šiek tiek jų judesio kiekio momento, tačiau šis efektas yra labai nedidelis. Pagrindinis būdas prarasti judesio kiekio momentą yra perskirstyti jį pačiose dujose, t. y. viena dujų telkinio dalis gali jį perduoti kitai.

Apskritai apie judesio kiekio momentą pradėjau rašyti todėl, kad jo nepraradusios dujos į juodąją skylę įkristi neturi galimybės. Judesio kiekio momento vertė nulemia spindulį apskritimo, kuriuo dujos norėtų sukti aplink savo orbitos centrą – juodąją skylę. Jei judesio kiekio momentas išlieka nepakitęs, dujos gali taip suktis neribotai ilgai. Bet dujų srautų tarpusavio sąveikos pakeičia judesio kiekio momento pasiskirstymą juodąją skylę supančiame telkinyje.

Judesio kiekio momentas yra vektorinis dydis – jis turi ir skaitinę vertę, ir kryptį. Kryptis irgi yra tvari – dujos sukasi aplink tam tikrą ašį, ir be priežasties tos ašies nekeičia. Vadinasi dujų telkinį, esantį aplink juodąją skylę, nuo įkritimo į pastarąją judesio kiekio momentas saugo tik viena kryptimi. Išilgai sukimosi ašies dujos gali artėti prie juodosios skylės. Taip neilgai trukus dujų telkinys susiploja ir tampa akreciniu disku.

Akrecinių diskų būna įvairių, bet aktyviuose branduoliuose jie dažniausiai yra gana ploni: storio ir skersmens santykis siekia tik kelias tūkstantąsias. Dujų tankis juose yra santykinai didelis – trilijonai ir daugiau dalelių kiekviename kubiniame centimetre. Tai yra daugybę kartų mažesnis tankis, nei Žemės atmosferos, bet palyginus su kitomis tarpžvaigždinės medžiagos struktūromis – milžiniškas.

Dujos, esančios skirtingu atstumu nuo centro, juda nevienodais greičiais: arčiau esančios juda greičiau, tolimesnės – lėčiau, nes jas veikia silpnesnė juodosios skylės gravitacija. Jų apsisukimo aplink juodąją skylę periodai irgi skiriasi: tolstant nuo centro, didėja. Taigi jei diską suskirstome į daug plonų žiedų, tai gretimuose žieduose esančios dujos trinasi tarpusavyje. Trynimasis jas įkaitina, o įkaitusios dujos ima spinduliuoti. Kuo toliau nuo centro yra dujų žiedas, tuo žemesnė jo temperatūra, skiriasi ir skleidžiamos spinduliuotės spektras. Išorinės disko dalys spinduliuoja infraraudonuosius spindulius, vidurinės – regimuosius, o prie pat juodosios skylės pasiekia ir ultravioletinius, o priklausomai nuo juodosios skylės masės – gal ir rentgeno. Kuo mažesnė juodoji skylė, tuo mažesnis ir diskas, dujų judėjimo greičiai skiriasi daugiau, todėl ir temperatūros aukštesnės, o spinduliuotė – energingesnė. Prie žvaigždinės masės juodųjų skylių susiformuojantys diskai švyti ir rentgeno, ir netgi gama spinduliais.

Akrecinis diskas aplink supermasyvią juodąją skylę labai gerai pavaizduotas filme „Interstellar“. Ypatingai stipri gravitacija šalia juodosios skylės (juodas apskritimas) iškreipia šviesos spindulius, todėl už juodosios skylės esančią disko dalį matome viršuje ir apačioje, tarsi gaubiančią centrinį diską. ©Warner Bros Pictures, Paramount Pictures

Ne visa aktyvaus branduolio spinduliuotė sklinda iš akrecinio disko. Prie pat juodosios skylės diskas sustorėja ir tampa sferiniu – ten susidaro juodosios skylės vainikas, kuris skleidžia rentgeno ir gama spindulius. Nuo disko paviršiaus kyla disko atmosfera ir pučia vėjas, kurių spinduliuotė irgi turi savitumų. Magnetinio lauko linijos, susisukusios diske, sudaro kanalus ties jo centru, pro kuriuos medžiaga gali didžiuliais greičiais pabėgti nuo juodosios skylės prieigų ir išlėkti net iš galaktikos. Visi šie procesai gali paveikti galaktikos evoliuciją. Bet apie tai – kitą mėnesį.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *