Kąsnelis Visatos CCCLX: Laboratorijos

Laboratoriniai eksperimentai tikrai nėra astrofizikinių tyrimų kasdienybė. Tačiau praėjusios savaitės naujienose randame net du atvejus, kai būtent laboratorijoje padaryti įdomūs atradimai: apie gyvybei reikalingų komponentų formavimąsi asteroiduose ir apie negyvybinius procesus, galinčius sukurti deguonį egzoplanetų atmosferose. Kitos naujienos yra ir apie aktyvias galaktikas, ir apie Saturno žiedus, ir apie tarpžvaigždines dulkes bei tamsiąją materiją galaktikų spiečiuose. Gero kalėdinio skaitymo!

***

Gyvybės komponentų formavimasis asteroiduose. Egzistuoja dvi pagrindinės teorijos, kaip Žemėje atsirado gyvybė. Arba ji susiformavo pačioje Žemėje, kažkur vandenyje, pradedant nuo ganėtinai paprastų neorganinių junginių, arba jai pradžią davė organiniai junginiai, atnešti asteroidų ir kometų. Dabar paskelbti eksperimentų rezultatai, rodantys, kad antroji hipotezė yra gana tikėtina. Tyrėjai laboratorijoje sukūrė sąlygas, labai artimas sąlygoms asteroiduose, ir parodė, kad tokioje aplinkoje gali formuotis 2-deoksiribozė. Šis junginys yra vienas iš svarbiausių gyvybei cukrų, DNR grandinės sudedamoji dalis. Eksperimento metu į labai šaltą terpę buvo įpurkšta vandens garų ir metanolio dujų, o jų mišinys paveiktas ultravioletine spinduliuote, atitinkančią tarpžvaigždinės terpės sąlygas. Terpėje taip pat buvo aliuminio blokas, reprezentuojantis asteroido paviršių. Iš pradžių ant bloko formavosi ledas, bet ultravioletinė spinduliuotė jį ištirpdė. Tada prasidėjo sudėtingesnės reakcijos, kurių metu susiformavo ir 2-deoksiribozė, ir keli kiti sudėtingi junginiai. Palyginimui tyrėjai išnagrinėjo keleto meteoritų cheminę sudėtį ir aptiko juose įvairių alkoholių bei deoksicukrų – ne 2-deoksiribozės, bet panašių junginių. Taigi gyvybei reikalingi komponentai tikrai galėjo susiformuoti asteroiduose, nors kol kas negalime būti tikri, ar taip ir įvyko. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Saturnas valgo savo žiedus. Saturno žiedai nėra amžini. Tą žinome jau senokai, kai įvairūs stebėjimai parodė, kad jų medžiaga nuolat keičiasi. Bet nauja Cassini zondo surinktų duomenų analizė atskleidžia, jog pati planeta ryja žiedus taip sparčiai, kad jų gali nelikti per kelis šimtus milijonų metų. Šio proceso užuominas pastebėjo dar Voyager zondai devintajame dešimtmetyje – jie nustatė, kad žiedų dalelės, veikiamos Saturno gravitacijos ir magnetinio lauko, krenta į planetą. Tačiau tada nebuvo nustatyta, kaip sparčiai vyksta šis procesas. Cassini duomenys leido tą įvertinti: per sekundę Saturną pasiekia 0,5-3 tonos žiedų medžiagos. Jei ši sparta išliks pastovi, žiedų nebeliks per mažiau nei 300 milijonų metų. Be to, jei laikysime, kad arčiau planetos esantis C žiedas egzistavimo pradžioje buvo toks pat tankus, kaip tolimesnis B žiedas, o vėliau neteko medžiagos tokia pačia sparta, kaip dabar, tai reikštų, kad žiedai susiformavo tik prieš šimtą milijonų metų. Vadinasi, Saturno žiedai greičiausiai yra palyginus trumpalaikė struktūra, galbūt susiformavusi susidūrus ir subyrėjus dviems palydovams. Belieka pasidžiaugti, kad gyvename tokiu laiku, kai žiedai yra gerai matomi. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Ultima Thule šviesis nekinta. Vos po kiek daugiau nei savaitės, sausio pirmą dieną, zondas New Horizons praskris pro 2014 MU69 – nedidelį objektą Kuiperio žiede, neoficialiai vadinamą Ultima Thule – „Tolimiausia šiaure“. Per pastaruosius keletą mėnesių zondas nuolatos stebi objektą ir tyrinėja, kaip kinta jo šviesis. Ir nors dar 2017 metais nustatyta, kad objektas nėra apvalus, stebėjimai nerodo tikėtino periodiško šviesio kitimo, objektui atsukant į Saulę tai didesnį, tai mažesnį šoną. Kol kas tokiam šviesio pastovumui paaiškinimo nėra, tačiau New Horizons komanda turi dvi idėjas. Gali būti, kad Ultima Thule sukimosi ašis nukreipta tiksliai New Horizons link, todėl zondas visada mato vieną objekto pusę. Kita idėja – objektą supa daugybė dulkių arba kiek didesnių objektų, kurie išsklaido ar sugeria atspindėtą šviesą ir iškraipo gaunamus duomenis. Ši idėja mažiau tikėtina, nei pirmoji, nes reikalauja sudėtingesnių konfigūracijų. Tikroji priežastis greičiausiai paaiškės netrukus, bet praskridimas neabejotinai užduos ir daugybę naujų klausimų.

***

Kada nors žmonija išplis po Saulės sistemą. Galbūt tolimesnėje ateityje išmoksime nuskristi ir į kitas žvaigždes, bet kol kas tokia perspektyva labai miglota. Kaip bebūtų, mūsų civilizacijai reikės vis daugiau energijos. Žemės gaunamos energijos kada nors nebeužteks, taigi reikės panaudoti vis didesnę dalį energijos, sklindančios iš Saulės. Vienas iš būdų tą padaryti yra Daisono sfera – statinys, apgaubiantis žvaigždę ir sugeriantis visą jos energiją bei paverčiantis ją mums tinkamomis formomis. Plačiau apie ją – savaitės filmuke iš Kurzgesagt:

***

Besiformuojančios žvaigždės žybsnis. Visos žvaigždės kartais žybteli – stipriai nušvinta energingais rentgeno ir gama spinduliais. Tačiau skirtingos žvaigždės žybsi nevienodai dažnai ir stipriai. Dabar pirmą kartą aptiktas žybsnis dar besiformuojančioje už Saulę mažesnėje žvaigždėje. Žvaigždė katalogo numeriu NGTS J121939.5-355557 yra vos dviejų milijonų metų amžiaus, t.y. nugyvenusi tik apie dešimtadalį procento savo tikėtino gyvenimo. Ji dar net nebaigė formuotis – kol kas jos masė tebeauga, o spindulys mažėja. Žybsnio metu žvaigždė paryškėjo septynis kartus – daugiau, nei bet kokia kita žvaigždė žinomo žybsnio metu. Žvaigždžių žybsniai kyla dėl magnetinio lauko linijų persijungimo; jaunos žvaigždės, panašios į šią, turi stiprius magnetinius laukus – tai greičiausiai paaiškina ir žybsnio kilmę bei stiprumą. Įdomu tai, kad toks žybsnis gali reikšmingai paveikti cheminius procesus žvaigždę supančiame protoplanetiniame diske. Jau seniai spėjama, kad žybsniai gali sukurti tinkamas sąlygas formuotis chondrulėms – susilydžiusių metalų granulėms, kurios randamos meteorituose. Chondrulės taip pat yra svarbus uolinių planetų ingredientas, taigi tokie žybsniai, kaip aptiktasis, gali būti svarbi jų atsiradimo komponentė. Ateityje planetų formavimosi modeliai turėtų įtraukti žybsnių poveikį, kad galėtume jį ištirti detaliau. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Deguonis negyvybingose planetose. Deguonies molekulė yra labai reaktyvi, tad jeigu Žemėje nebūtų ją nuolat išskiriančios gyvybės (medžių ir fitoplanktono), atmosferoje deguonies greitai nebeliktų. Dėl šios priežasties deguonis yra laikomas vienu iš geriausių biopėdsakų – ženklų, kad tolimoje planetoje taip pat gali egzistuoti gyvybė. Tačiau nauji laboratoriniai eksperimentai parodė, kad deguonis egzoplanetų atmosferose gali susiformuoti ir kitais būdais. Eksperimentų metu nagrinėta, kaip evoliucionuoja planetų atmosferos, pradžioje susidedančios iš anglies dvideginio, vandens garų, amoniako ir metano, pašildytos iki 27-327 laipsnių Celsijaus ir veikiamos ultravioletinės spinduliuotės, kuri galėtų sklisti iš žvaigždės, arba plazmos, generuojamos žaibų išlydžių metu. Vos per tris dienas eksperimentuose, kuriuose spinduliuotė ar plazma daug intensyvesnės, nei Žemėje, susiformavo ir deguonies, ir organinių dujų molekulių. Organiniai junginiai, tokie kaip formaldehidas ir vandenilio cianidas, irgi laikomi galimais biopėdsakais. Taigi atrodo, kad deguonies aptikimas egzoplanetos atmosferoje nėra toks reikšmingas gyvybingumo įrodymas, kaip norėtųsi tikėtis. Tyrimo rezultatai publikuojami ACS Earth and Space Chemistry.

***

Dulkės žvaigždės ūke. Žvaigždės, panašios į Saulę, gyvenimo pabaigoje nusimeta išorinius sluoksnius ir tampa baltosiomis nykštukėmis. Išmesta medžiaga suformuoja ūką, dėl istorinių priežasčių vadinamą planetiniu. Dabar viename tokiame ūke, K4-47, aptikta gana daug sunkiųjų anglies, azoto ir deguonies izotopų. Nuo įprastinių elementų formų šie izotopai skiriasi papildomu neutronu branduolyje. Šiems izotopams susiformuoti reikalinga labai aukšta temperatūra, daugiau nei 100 milijonų laipsnių, taigi iki šiol buvo manoma, kad jie formuojasi tik novų arba supernovų sprogimų metu. O šis atradimas parodė, kad tokie izotopai gali susiformuoti ir daug ramesnėmis sąlygomis. Atradėjai iškėlė hipotezę, kad izotopus suformuoti galėjo helio žybsnis – trumpa žvaigždės evoliucijos stadija, kurios metu helis išsiveržia iš žvaigždės gelmių pro vandenilio kupiną išorinį sluoksnį. Jos metu pasiekiamos temperatūros, reikalingos termobranduolinėms reakcijoms. Įdomu, kad sunkieji izotopai randami ir Saulės sistemoje, bet praktiškai tik kai kuriuose meteorituose, taigi naujasis atradimas gali padėti paaiškinti šių meteoritų kilmę. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Laivagalio RS ir ją supantis ūkas. Šaltinis: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – Hubble/Europe Collaboration; H. Bond (STScI ir Pennsylvania State University)
Laivagalio RS ir ją supantis ūkas. Šaltinis: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA) – Hubble/Europe Collaboration; H. Bond (STScI ir Pennsylvania State University)

Savaitės paveiksliukas, kaip ir dera Kūčioms – šventiškos išvaizdos ūkas, šiek tiek primenantis kalėdinę girliandą ar vainiką. Ūką apšviečia jo centre esanti žvaigždė Laivagalio RS, dešimt kartų masyvesnė ir vidutiniškai 15 tūkstančių kartų šviesesnė, nei Saulė. Žvaigždės šviesis kinta šešių savaičių periodu, o pavienių žybsnių signalai po truputį sklinda ūku ir yra matomi kaip melsvi apskritimai.

***

Juodųjų skylių vainikų paslaptis. Aktyvūs galaktikų branduoliai – centrinės supermasyvios juodosios skylės ir į jas krentanti medžiaga – turi vainikus, sudarytus iš labai karštų labai retų dujų. Ilgą laiką buvo manoma, kad dujas įkaitina jų pačių magnetinio lauko linijų persijungimas, kurio metu magnetinė energija išlaisvinama ir perduodama dujų dalelėms. Tačiau nauji stebėjimai parodė, kad bent dviejose aktyviose galaktikose vainiko magnetinis laukas yra pernelyg silpnas, kad įkaitintų dujas iki stebimos temperatūros. Abiejose galaktikose aptikta sinchrotroninė spinduliuotė – radijo bangos, kurias skleidžia elektronai, judėdami magnetiniame lauke. Būtent jos intensyvumas leido apskaičiuoti magnetinio lauko stiprumą; jis pasirodė esąs apie 10 gausų – maždaug 20 kartų daugiau, nei Žemės paviršiuje. Visgi tokio stiprumo nepakanka paaiškinti milijardą laipsnių siekiančiai dujų temperatūrai. Spinduliuotės spektras taip pat rodo, kad kai kurie elektronai vainike įgreitinti šiluminių procesų, o kiti – nešiluminių, galbūt sąveikų su tuo pačiu magnetiniu lauku. Tai gali padėti atsakyti į klausimą apie vainiko temperatūrą, bet kol kas tyrėjai atsakymo neturi. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Žvaigždėdaros reguliavimas galaktikų spiečiuose. Galaktikų spiečiuose tarpgalaktinės medžiagos yra tiek daug, kad iš jos galėtų formuotis tūkstančiai žvaigždžių per metus. Bet to nevyksta, nors galinga rentgeno spinduliuotė byloja, kad dujos praranda labai daug energijos, taigi turėtų sparčiai vėsti. Visgi tarpgalaktinės dujos išlieka karštos daugybę milijardų metų, net ir tuose spiečiuose, kur jų akivaizdžiai nešildo nei galaktikose vykstanti žvaigždėdara, nei aktyvių branduolių spinduliuotė. Dabar pristatyti skaitmeniniai modeliai, rodantys, kad dujas karštas gali išlaikyti kosminiai spinduliai ir turbulencija. Kosminiai spinduliai yra labai energingos dalelės, daugiausiai elektronai ir protonai, sukuriamos supernovų sprogimų ir galaktikų branduolių aktyvumo epizodų metu. Turbulencija yra reiškinys, primenantis trintį tarp skirtingų dujų srautų, judančių įvairiuose sūkuriuose – ją taip pat gali sukelti žvaigždžių vėjai, aktyvių branduolių čiurkšlės ir tėkmės ir panašūs reiškiniai. Modeliais nustatyta, kad abu šie reiškiniai tarpgalaktines dujas kaitina daug efektyviau, nei tiesiog šiluminės energijos perdavimas iš spiečiaus galaktikų arba didelio masto tėkmės iš jų. Be to, šiluminė energija ir tėkmės gali lengvai perkaitinti tarpgalaktinę medžiagą ir pakeičia jos savybes į kitokias, nei stebimos, tuo tarpu turbulencija ir kosminiai spinduliai išsaugo teisingas savybes. Taigi net ir menkas galaktikų aktyvumas bei lėta žvaigždėdara gali išlaikyti tarpgalaktines dujas karštas ir sustabdyti žvaigždėdarą jose. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Apšviesta tamsioji materija. Nors tamsiosios materijos egzistavimo tiesioginių įrodymų vis dar neturime, netiesioginių – apstu. Vienas iš jų yra medžiagos pasiskirstymas galaktikų spiečiuose, randamas naudojant gravitacinio lęšiavimo efektą. Bet šitaip išmatuoti medžiagos pasiskirstymą yra sudėtinga ir įmanoma toli gražu ne visiems spiečiams, mat ne už kiekvieno spiečiaus yra tolimų galaktikų, kurių lęšiuotus atvaizdus matome. Bet yra ir kitas būdas nustatyti, kaip tamsioji materija pasiskirsčiusi spiečiuje. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad galaktikų susiliejimų metu dalis žvaigždžių juda praktiškai taip pat, kaip tamsioji materija. Ištyrę šešis realius galaktikų spiečius astronomai nustatė, kad taip ir yra. Tiesa, tamsiąją materiją atitinka toli gražu ne visų žvaigždžių pasiskirstymas: dauguma jų yra galaktikose ir atitinka tik tamsiosios materijos sutankėjimus – galaktikų halus. Tačiau kiekvieno susiliejimo, ar netgi galaktikų prasilenkimo, metu dalis žvaigždžių išlekia iš galaktikų. Šių žvaigždžių negalime išskirti kaip pavienių objektų, bet galime aptikti bendrą jų skleidžiamą spinduliuotę, vadinamą spiečiaus vidaus šviesa (angl. Intracluster light). Ji yra daug blausesnė už galaktikų šviesą, todėl atskirai ją nagrinėti sunku, bet šiame tyrime galaktikų šviesa sėkmingai atimta iš bendros spiečiaus spinduliuotės, paliekant tik tarpgalaktinę šviesą. Jos intensyvumo žemėlapis labai gerai atitiko žinomą medžiagos pasiskirstymą šiuose spiečiuose. Taigi ateityje spiečių medžiagos pasiskirstymą galėsime nagrinėti naudodami vien detalius spinduliuotės stebėjimų duomenis ir nereikės vargti sudarant gravitacinio lęšiavimo žemėlapius. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Masyviausių galaktikų evoliucija. Pačios masyviausios šiandieninės galaktikos yra elipsinės, turi labai mažai dujų, o jų žvaigždės yra senos. Tai reiškia, kad šios galaktikos nustojo formuoti žvaigždes prieš milijardus metų. Dabar aptikti tokių galaktikų analogai tolimoje Visatoje padeda suprasti, kaip šios galaktikos vystėsi per didžiąją dalį Visatos istorijos. Aptiktos masyvios ramios galaktikos buvo masyviausios galaktikos tada, kai Visatos amžius siekė tik pusantro milijardo metų (dabartinis amžius yra 13,7 milijardo), bet jau tada beveik nebeformavo žvaigždžių. Jų masė siekė net 20% šiandieninių masyviausių galaktikų masės, tačiau spindulys buvo net 50 kartų mažesnis už šiandienines. Taigi laikui bėgant jos turėjo labai išsipūsti, tačiau nepriaugo daug masės. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad šitaip auga galaktikos, patiriančios daug mažų susiliejimų, t.y. vieną po kitos rydamos gerokai mažesnes galaktikas. Toks scenarijus yra labai tikėtinas – masyviausių galaktikų yra labai nedaug, todėl jos praktiškai neturi šansų turėti panašios masės kaimynę, su kuria galėtų susilieti. O gerokai mažesnių galaktikų jų aplinkoje gali būti daug. Šis scenarijus taip pat atitinka ir kitų stebėjimų rezultatus – masyviausių galaktikų masė ir spindulys visais laikais gerai atitiko sąryšį, gaunamą modeliuojant jų evoliuciją per mažus susiliejimus. Tai paaiškina ir menką žvaigždžių formavimąsi per paskutinius 12 milijardų metų: maži susiliejimai neatneša daug dujų ir nesupurto jų tiek, kad galaktikoje reikšmingai išaugtų žvaigždžių populiacija. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Štai ir visos naujienos iš prieškalėdinės savaitės. Gerų švenčių! Ir, kaip įprasta, laukiu jūsų klausimų ir komentarų.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.