Kąsnelis Visatos CCCLI: Struktūros

Nuo Ganimedo iki Visatos pakraščių, nuo jaunų planetinių sistemų iki aktyvių galaktikų halų – įvairios natūralios struktūros padeda suprasti Visatos ir jos dalių evoliuciją. Ir dažnai pažeria įvairių netikėtumų, tokių kaip planetos prie ypatingai jaunos žvaigždės, ar superspiečius tais laikais, kai superspiečiai dar neturėjo būti spėję susiformuoti. Apie šias ir kitas naujienas, kaip įprastai, skaitykite po kirpsniuku.

***

Modulinė Marso bazė. Žmonių kelionė į Marsą ir nuolatinių tyrimų stočių, o vėliau ir gyvenamųjų plotų, įkūrimas kelia labai daug iššūkių. Dalis iš jų yra kelionės ir gyvenimo už Žemės magnetosferos ribų poveikis žmonių sveikatai. Mikrogravitacija ir Saulės vėjas yra labai pavojingi reiškiniai, sukeliantys aibę neigiamų pokyčių organizmuose. Skaičiuojama, kad jei žmonės keliautų į Marsą su šiandieninėmis technologijomis, tai kelionės metu gautų radiacijos kiekį, pusantro karto viršijantį metinę leistiną dozę NASA astronautams. Padengti erdvėlaivį storais skydais, kurie sulaikytų Saulės vėją ir energingus fotonus, sudėtinga – jis labai daug svertų, o kiekvienas kilogramas prideda labai daug prie misijos kainos. Marso paviršiuje situacija šiek tiek paprastesnė – galima būtų stotį apkasti 1-2 metrų Marso grunto sluoksniu. Bet gyvenimas po žeme yra labai kenksmingas psichologiškai, tad sprendimas irgi nežavi. Dabar pasiūlytas kitoks Marso misijos planas, galimai išsprendžiantis šias problemas. Misiją sudarytų maždaug 300 metrų skersmens sferinė ar cilindrinė struktūra, besisukanti aplink savo ašį, prie kurios būtų tvirtinami maždaug 20 metrų skersmens gyvenamieji moduliai. Besisukdamas karkasas sukurtų dalinę gravitaciją moduliuose, taigi kelionės metu nesiatrofuotų astronautų kaulai ir raumenys, mažiau gestų regėjimas. Nuskridus iki Marso, moduliai galėtų skristi į planetos paviršių ir ten formuoti paviršinę tyrimų stotį. Pagrindinė projekto naujovė, lyginant su kitomis idėjomis – vielinės struktūros, gaubiančios ir skrendančią aglomeraciją, ir nusileidusių modulių miestelį. Per šias struktūras paleidus elektros srovę, jos generuotų magnetinį lauką, kuris sulaikytų didžiąją dalį pavojingos spinduliuotės. Idėjos autorių teigimu, Marso paviršiuje tikrai įmanoma sukurti 0,8 teslos stiprio magnetinį lauką, kuris sumažintų pavojingos spinduliuotės dozę, tenkančią stoties gyventojui, iki tokio pat lygio, kokį gauna vidutinis Žemės gyventojas. Kol kas tai – tik idėja, tačiau vielinio „šiltnamio“ modelį jos kūrėjai jau pastatė ir parodė, kad tai iš principo veikia. Ar šie planai kada taps realybe, parodys tik laikas. Tyrimo rezultatai publikuojami Aerospace Research Central.

***

Tektoninės struktūros Ganimede. Jupiterio palydovai Europa ir Ganimedas daug kuo panašūs – abu juos dengia storas ledo sluoksnis, po kuriuo egzistuoja vandenynai. Tačiau Europos ledinis paviršius, nuolat tampomas Jupiterio, rodo tektoninio aktyvumo požymius, o Ganimedo – ne. Ganimedas gali būti laikomas labiau evoliucionavusiu objektu už Europą, taigi Ganimedo tyrimai padeda geriau suprasti, kaip ateityje gali vystytis Europos paviršius. Dabar pristatytame naujame tyrime analizuojami tektoninių struktūrų Ganimede tipai ir kiekiai. Remdamiesi 1995-2003 metais Galileo zondo darytomis nuotraukomis, tyrėjai nustatė, kad horizontalūs tektoniniai lūžiai (angl. strike-slip faults) Ganimede egzistuoja beveik visame paviršiuje. Skaitmeninis Ganimedo paviršiaus evoliucijos modelis parodė, kad kai kurie lūžiai galėjo įsiskverbti iki 2 km gylio į palydovą. Be to, norint paaiškinti stebimus lūžių skaičius ir pasiskirstymą palydovo paviršiuje, reikia įskaityti ir Ganimedo sukimąsi aplink savo ašį, nesutampantį su sukimusi aplink Jupiterį. Vadinasi, dauguma lūžių įvyko tada, kai palydovas dar nebuvo potvyniškai prirakintas ir atsukęs tik vienos pusės į planetą. Šie rezultatai padės patobulinti šiuo metu planuojamas misijas, kurios per artimiausius dešimt metų turėtų išskristi į Europą. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Planetų migravimo pėdsakai. Planetos formuojasi dulkių ir dujų diskuose aplink jaunas žvaigždes. Susiformavusios jos dažnai neužsilieka toje pačioje vietoje, o migruoja arčiau žvaigždės ar tolyn nuo jos. Tik taip galima paaiškinti, kaip labai arti žvaigždžių gali atsirasti Jupiterio masės planetos, ir kai kurias kitas planetinių sistemų keistenybes. Tačiau migracija nagrinėjama tik skaitmeniniais modeliai, mat planetų orbitų pokyčiai yra pernelyg lėti, kad pamatytume juos stebėdami realias jaunas planetines sistemas. Dabar pristatyti skaitmeninių modelių rezultatai, rodantys, kad planetų migracija palieka aiškius pėdsakus dulkių diskuose, todėl atskirti migruojančias ir nemigruojančias planetas turėtų būti įmanoma ir stebėjimais. 12-60 kartų už Žemę masyvesnių planetų migravimo žvaigždės link skaičiavimai parodė, kad dulkės protoplanetiniame diske susitelkia į du žiedus: planetos orbitos viduje susikaupia mažos dulkelės, išorėje – didelės. Taip įvyksta todėl, kad mažos dulkelės juda lėtai ir nespėja pasitraukti migruojančiai planetai iš kelio, todėl yra suspaudžiamos į žiedą. Tuo tarpu didelės dulkelės greitai užpildo erdvę planetos orbitos išorėje, kai tik ten atsiranda vietos, planetai migruojant žvaigždės link. Skirtingo dydžio dulkelės skleidžia skirtingo bangos ilgio spinduliuotę. Taigi sistemos, turinčios migruojančią planetą, atvaizdas skirtinguose bangos ilgiuose turėtų pastebimai skirtis: trumpesniuose turėtume matyti mažą dulkių žiedą, ilgesniuose – didelį. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Keturios planetos jaunoje sistemoje. Planetos formuojasi prie jaunų žvaigždžių, tačiau kol kas vis dar neaišku, kaip anksti šis procesas prasideda. Dabar aptikta, kad labai jaunos žvaigždės Tauro CI sistemoje egzistuoja net keturios planetos-milžinės. Pati žvaigždė yra vos 2 milijonų metų amžiaus, skaičiuojant nuo termobranduolinių reakcijų įsižiebimo jos branduolyje. Taigi planetos sistemoje susiformavo ypatingai sparčiai, o galbūt pradėjo formuotis dar prieš įsižiebiant žvaigždei. Planetų atstumai nuo žvaigždės – labai įvairūs: arčiausiai esantis karštasis Jupiteris nutolęs per mažiau nei 0,08 astronominio vieneto (AU), o kitos trys planetos, aptiktos tik per jų atvertus tarpus protoplanetiniame diske, – 13, 39 ir 100 AU. 1 AU yra vidutinis Žemės nuotolis nuo Saulės. Toks didesnis nei 1000 kartų skirtumas tarp planetų orbitų spindulių yra žinomas ir kitose sistemose, kuriose egzistuoja karštieji Jupiteriai. Šis atradimas parodo, kad panaši konfigūracija gali susiformuoti pačioje planetinės sistemos formavimosi pradžioje. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Katės akies ūkas (centre) ir jį supantis halas. Šaltinis: Michael Joner (West Mountain Observatory, BYU), Romano Corradi (IAC), Hubble Legacy Archive, Robert Gendler
Katės akies ūkas (centre) ir jį supantis halas. Šaltinis: Michael Joner (West Mountain Observatory, BYU), Romano Corradi (IAC), Hubble Legacy Archive, Robert Gendler

Savaitės paveiksliukas – gerai žinomas Katės akies ūkas ir jį supantis halas. Katės akies ūkas vadinamas planetiniu; tokie ūkai susiformuoja į Saulę panašių žvaigždžių gyvenimo pabaigoje, kai šios nusimeta išorinius sluoksnius. Tik palyginus neseniai aptikti pirmieji halai aplink kelis planetinius ūkus – manoma, kad juos suformavo tos pačios žvaigždės, kurių vėjai į gyvenimo pabaigą labai sustiprėja. Katės akies ūko amžius yra apie 10 tūkstančių metų, o halo amžius, tikėtina, – apie 50-90 tūkstančių. Halas yra gerokai retesnis ir blausesnis už centrinį ūką; panašiai jie atrodo tik šiame paveiksliuke, kuriame halas stipriai paryškintas.

***

Jei kada žmonės ir keliaus į kitas planetas, tai gali būti labai ilga kelionė, kurios pabaigos pirmieji keliautojai ir nepamatys. Keliauti reikėtų generacijų laivu – uždara gyvenama ekosistema, kurioje per kelionę pasikeistų bent kelios žmonių kartos. Ar įmanoma pastatyti laivą, kuris išgyventų tokias šimtmečius, tūkstantmečius, o gal net milijoną metų trunkančias keliones? Kaip galėtų vystytis visuomenė, uždaryta tokiame laive? Apie tai savaitės filmuke pasakoja Isaac Arthur:

***

Neutroninių žvaigždžių susiliejimo kilonova. Gama spindulių žybsnis GRB170817, įvykęs kartu su gravitacinių bangų signalu GW170817, buvo neįprastas – keistai mažos energijos, lyginant su kitais žinomais dviejų neutroninių žvaigždžių susiliejimo sukeltais žybsniais. Iš principo tokius žybsnius aptikti įmanoma, tad kilo klausimas – o kodėl jų neaptinkame? Galbūt jie ypatingai reti? Bet tada keista, kad pirmasis gravitacinių bangų signalas pasitaikė iš tokio reto susiliejimo tipo. Dabar pristatyta stebėjimų analizė, rodanti, kad vienas analogiškas blausus žybsnis aptiktas dar 2015 metais. Šis žybsnis, kaip ir GRB170817, gali būti interpretuojamas kaip įprastas neutroninių žvaigždžių sukeltas žybsnis, tik nukreiptas ne į mus. Gama spindulių žybsniai didžiąją dalį energijos išspinduliuoja siauru kūgiu aplink sukimosi ašį, taigi jei mes esame ne kūgio kryptimi nuo žybsnio šaltinio, matysime tik labai blausų vaizdą. Rentgeno ir regimieji spinduliai sklinda daug sferiškiau, todėl šiuose ruožuose žybsnis matomas panašiai stiprus, kaip ir labiau įprastieji. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Magnetizuotas juodųjų skylių maitinimas. Visoje Visatoje egzistuoja magnetiniai laukai, kurie bent iš dalies valdo kosminių spindulių, dulkių ir dujų judėjimą. Nors jų negalime matyti tiesiogiai, galime pastebėti kai kuriuos jų poveikio aplinkai pėdsakus. Vienas iš jų yra spinduliuotės poliarizacija, kylanti dėl dulkių išsirikiavimo lygiagrečiai magnetinio lauko linijoms. Dulkės nevienodai sklaido skirtingos poliarizacijos – skirtingai nukreipto elektrinio lauko vektoriaus – šviesą, bet jei dulkelės išsidėsčiusios be jokios tvarkos, šie efektai vieni kitus kompensuoja. Kai nesimetriškos dulkelės visos nukreiptos viena kryptimi, matome poliarizuotą šviesą, o poliarizacijos lygmuo padeda suprasti, kokio stiprumo magnetinis laukas egzistuoja tarp stebimo objekto ir mūsų. Dabar pristatyti palyginus artimos aktyvios galaktikos Gulbės A stebėjimai, atskleidžiantys stipriai poliarizuotą infraraudonąją spinduliuotę. Dalį poliarizacijos galima paaiškinti ir be magnetinio lauko – arti juodosios skylės esanti struktūra toras taip pat sklaido šviesą nevienodai. Tačiau ilguose infraraudonuose spinduliuose stebima poliarizacija yra kitokia, nei trumpesnėse bangose, ir paaiškinama tik stipriu magnetiniu lauku, kuris kerta arti aktyvaus branduolio esančias dujas. Šis atradimas, kaip ir tolesni kitų aktyvių galaktikų poliarizacijos stebėjimai, padės geriau suprasti, kaip magnetiniai laukai paveikia juodųjų skylių maitinimo procesą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Žvaigždėdara aktyviose galaktikose. Dujos, patekusios į galaktikas, gali formuoti žvaigždes arba maitinti centrinę supermasyvią juodąją skylę. Dalis dujų išpučiama lauk iš galaktikos – tą gali padaryti ir žvaigždėdaros, ir juodųjų skylių sukeliami procesai, bendrai vadinami grįžtamuoju ryšiu. Išpučiamos dujos lėtina žvaigždėdarą ir juodosios skylės augimą. Kol kas, nepaisant daugiau nei dešimt metų trunkančių tyrimų, stebėjimų ir modeliavimo pastangų, neaišku, kaip iš tiesų sąveikauja aktyvių branduolių grįžtamasis ryšys ir galaktikos žvaigždėdara. Dabar pristatyta didžiulė 323 aktyvių galaktikų žvaigždėdaros spartos analizė, rodanti, kad žvaigždėdaros sparta ir branduolio aktyvumas koreliuoja tiesiškai. Kitaip tariant, kuo aktyvesnis galaktikos branduolys, tuo spartesnė žvaigždėdara vyksta toje galaktikoje. Santykis tarp žvaigždėdaros spartos ir centrinės juodosios skylės medžiagos akrecijos spartos (nuo kurios priklauso branduolio šviesis) nepriklauso nuo galaktikos masės ar kosminės epochos (laiko, praėjusio nuo Didžiojo sprogimo). Jis yra šiek tiek didesnis už 1000, nors pavienėse galaktikose nuo šio vidurkio gali nukrypti iki trijų kartų. Atradimo implikacija yra tokia, kad žvaigždės formuojasi ir juodoji skylė maitinasi iš to paties bendro dujų rezervuaro galaktikoje, o juodosios skylės poveikis žvaigždėdarai yra arba silpnas, arba pasireiškia gana lėtai, todėl aktyviose galaktikose jo nėra matoma. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Dujų teliuskavimas spiečiuose. Galaktikų spiečiai, kaip ir pačios galaktikos, kartais jungiasi tarpusavyje. Susijungimo metu abiejų spiečių dujos sukrenta į vieną telkinį, bet susidūrimas jas išveda iš pusiausvyros, todėl jos ima svyruoti. Procesas yra labai panašus į vandens bangavimą, sujudinus indą, kuriame šis yra, todėl vadinamas teliuskavimu (angl. sloshing). Iki šiol nebuvo aišku, ar teliuskavimo greitis yra didesnis, ar mažesnis už garso greitį tarpgalaktinėse dujose. Tai yra svarbus klausimas, nes dujų judėjimo greitis nulemia tolesnę jų ir spiečių sudarančių galaktikų evoliuciją bei leidžia geriau suprasti spiečių susiliejimo istoriją, taigi ir struktūros formavimąsi Visatoje. Greitį nustatyti sudėtinga todėl, kad dujos daugiausiai spinduliuoja rentgeno spinduliuotę, o šiame bangų ruože detektorių raiška yra gana prasta. Dabar pristatyti nauji spiečiaus RXJ1347.5-1145 stebėjimai, kurie rodo, jog dujos ten juda mažesniais nei garso greičiais. Rezultatas gautas stebint spiečių rentgeno ir submilimetriniuose spinduliuose. Rentgeno spindulių vaizde matyti charakteringos teliuskavimo bangos, o submilimetriniuose – ne. Submilimetriniuose spinduliuose bangos matytųsi tokiu atveju, jei dujų greičiai būtų pakankami, kad skirtingomis kryptimis judančios dujos reikšmingai skirtingai sąveikautų su kosminės foninės spinduliuotės fotonais, lekiančiais per spiečių. Šie duomenys leido apriboti įmanomą dujų greitį – jis neviršija 730 km/s, o greičiausiai yra apie 420 km/s. Garso greitis šiose dujose siekia kone 1000 km/s, taigi jos juda subgarsiškai – visai kaip bangos sujudintame vandens inde. Tai reiškia, kad spiečių susiliejimai (ar bent jau šis susiliejimas) yra švelnūs ir gana tolygūs procesai. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Gama spinduliuotės telkiniai. Gama spindulių šaltiniai dažniausiai yra taškiniai – labai tolimos aktyvios galaktikos, gama spindulių žybsniai ar supernovų sprogimai. Bet kai kurie šaltiniai yra pakankamai platūs arba artimi, kad galėtume išskirti jų dydį; dabar pristatytas naujausias išplitusių gama šaltinių, randamų Fermi teleskopo duomenyse, katalogas. Aptikti 24 išplitę šaltiniai, 19 iš jų yra nauji, t.y. anksčiau nelaikyti išplitusiais. Dauguma jų – artimos supernovų liekanos ir žvaigždėdaros regionai. Įdomu tai, kad neaptiktas nei vienas išplitęs gama šaltinis aplink aktyvią galaktiką, nors teoriniai modeliai prognozuoja, kad aktyvių branduolių kuriamos tėkmės turėtų sukurti ir pakankamai elektronų-pozitronų porų, kurios anihiliuodamos paskleistų pastebimą gamą signalą. Tai reiškia, kad magnetinis laukas tarpgalaktinėje erdvėje yra pakankamai stiprus, kad atskirtų elektronus nuo pozitronų ir neleistų jiems per daug anihiliuoti. Stebėjimų rezultatai leidžia apskaičiuoti, kad magnetinis laukas yra bent 10^{-16} gausų. Ši vertė yra 100 milijardų kartų mažesnė, nei vidutinė galaktinių magnetinių laukų stiprio vertė, tačiau kartu tai yra geriausias kol kas turimas tokio lauko stiprumo įvertinimas. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Titaniška kosminė struktūra. Daugelis struktūrų Visatoje susideda iš mažesnių, kažkiek panašių į didesniąsias – tai vadinama struktūrų hierarchija. Žvaigždės telkiasi į spiečius ir asociacijas, iš jų ir pavienių žvaigždžių susideda galaktikos, galaktikos irgi grupuojasi į spiečius, spiečiai – į superspiečius. Šios didžiausios struktūros Visatoje gali tęstis daugiau nei milijardą parsekų. Manoma, kad jiems susiformuoti reikia labai daug laiko – Visatos jaunystėje medžiaga buvo pasiskirsčiusi gerokai tolygiau, tad susitelkti į tokias dideles struktūras dėl gravitacijos poveikio užtruko milijardus metų. Tačiau dabar atrastas tolimiausias superspiečius. Jis pramintas vieno iš mitinių titanų, Hiperiono, vardu; jo dydis siekia apie 150 megaparsekų (palyginimui atstumas iki Andromedos galaktikos yra kiek mažiau nei 1 megaparsekas). Jo šviesa mus pasiekia iš tų laikų, kai Visatos amžius buvo tik 2,3 milijardo metų – vos šeštadalis dabartinio 13,8 milijardo metų. Jau seniau buvo žinomi kai kurie Hiperioną sudarantys galaktikų spiečiai, tačiau dabar, pasitelkę didesnės dangaus dalies labai jautrius apžvalginius stebėjimus, astronomai aptiko spiečius jungiančias dujų gijas. Iš viso Hiperioną sudaro septyni galaktikų spiečiai. Juose vis dar nenusistovėjusi dinaminė pusiausvyra – galaktikos į juos krenta ir maišosi. Tačiau spiečių masės, įvertintos darant pusiausvyros prielaidą, beveik tiksliai sutampa su masėmis, apskaičiuotomis remiantis didžiausio medžiagos tankio spiečiuose vertėmis. Šios masės siekia nuo 10 iki 270 trilijonų Saulės masių; palyginimui Paukščių Tako masė yra apie trilijoną Saulės masių. Visa Hiperiono masė yra apie 4,8 kvadrilijono Saulės masių, trigubai didesnė už Mergelės superspiečiaus, kuriam priklauso ir Paukščių Takas. Taigi ypatingai masyvios struktūros Visatoje susiformavo palyginus greitai; šis atradimas privers permąstyti kai kurias struktūros formavimosi modelių detales. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Štai ir visos naujienos iš praėjusios savaitės. Kaip įprastai, laukiu jūsų klausimų ir komentarų.

Laiqualasse

3 comments

  1. Norėjau paklausti dėl garso greičio. rašėt, kad greitis šiose dujose 1000 km/s. aš kaip suprantu, garso greitis priklauso nuo įvairių faktorių, tame tarpe ir tankio ir kuo tankesnė aplinka tuo greitis didesnis. aš greičiausiai kažką praleidžiu, bet šiek tiek susimėčiau, kokiu būdu garso greitis gali būt 1000 kartų didesnis, nei ore ?

    1. Taip, garso greitis tikrai priklauso nuo įvairių faktorių. Dujose tie faktoriai yra temperatūra ir dujų dalelių masė. Garso greičio formulė yra c_s = \sqrt{3kT/m}. Tų dujų temperatūra yra apie 100 milijonų kelvinų (plg. tipinė oro temperatūra - mažiau nei 300 K), jas sudaro daugiausiai vandenilio jonai ir elektronai, todėl dalelių masė yra apie 0,6 atominio masės vieneto (oro - apie 30 a.m.v.), tad ir gauname labai didelį greitį.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *