Kąsnelis Visatos CCCLXXX: Elementai

Cheminių elementų raida yra viena įdomiausių Visatos istorijos dalių, ir kartu viena informatyviausių. Žinodami apie cheminę objekto sandarą, galime daug pasakyti apie jo istoriją, o pavienių tarpžvaigždinę terpę praturtinančių įvykių netolygumas gali nulemti įvairių planetinių sistemų cheminius skirtumus. Daug praėjusios savaitės naujienų yra susijusios būtent su cheminiais elementais ir jų sklidimu Visatoje: nuo žinių apie įvykius prieš susiformuojant Saulės sistemai iki seniai Paukščių Tako prarytų nykštukinių galaktikų. Taip pat – ledo kalnagūbriai Titane, Marso ir Veneros atmosferų analizė, galaktikų sukimosi kreivės ir dar šis tas. Gero skaitymo!

***

Pirmykštė tarpžvaigždinė dulkė. Visi cheminiai elementai, išskyrus vandenilį ir helį, susiformavo žvaigždėse ir buvo išlaisvinti su jų vėjais arba sprogimų metu. Stebėti šį procesą tiesiogiai yra sudėtinga, tačiau tarpžvaigždinės dulkės padeda suprasti, kaip formuojasi ir jungiasi įvairūs atomai. Dabar viename meteorite aptikta dulkelė, beveik neabejotinai susiformavusi anksčiau, nei Saulės sistema. Dulkelėje sunkaus anglies izotopo anglies-13 (turinčio vienu neutronu daugiau, nei įprasta anglis-12) yra 50 tūkstančių kartų daugiau, nei įprasta Žemėje esančiai angliai. Kituose Saulės sistemos kūnuose anglies izotopų gausos santykis svyruoja iki 50 kartų, taigi dulkelė atsirado tikrai ne Saulės sistemoje. Greičiausiai ji susidarė novos sprogimo metu, kai trumpam sužibo baltoji nykštukė, sudaryta daugiausiai iš anglies ir deguonies. Tada dulkelė kažkiek laiko skraidė tarpžvaigždinėje erdvėje, kol pateko į pirmykštį meteoritą besiformuojančioje Saulės sistemoje. Pagrindinę dulkelės dalį sudaro anglis, tačiau joje aptikta ir deguonies bei silikato inkliuzų – tai reiškia, kad visų šių tipų junginiai gali formuotis vienoje novoje ir maišytis tarpusavyje. Anksčiau tą prognozavo kai kurie modeliai, o šis atradimas jų prognozes patvirtina. Meteoritas, kuriame atrasta dulkelė, panašus į medžiagą, kuria turėtų būti padengtas asteroido Bennu paviršius, taigi gali būti, kad jau po keleto metų, kai Bennu mėginiai grįš į Žemę, tarpžvaigždinių dulkių aptiksime daug daugiau. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Saulės sistemos aktinidų kilmė. Daugelis už geležį masyvesnių cheminių elementų, tarp jų ir viena grupė, vadinama aktinidais, susiformuoja neutroninių žvaigždžių susiliejimų metu. Tokie susiliejimai nėra dažnas reiškinys, taigi skirtingose žvaigždžių sistemose aktinidų ir gretimų jiems elementų, tokių kaip auksas, gausa gali būti labai nevienoda. Kai kurie susiliejimo metu sukurti elementų izotopai gyvuoja palyginus neilgai – iki šimto milijonų metų, – bet apie jų egzistavimą galime spręsti iš radioaktyvaus skilimo paliktų „dukterinių“ produktų. Dabar nauja senovinių Saulės sistemos meteoritų cheminė analizė atskleidė, kad vienas toks neutroninių žvaigždžių susidūrimas greičiausiai įvyko netoli Saulės, jai besiformuojant. Aktinidų ir jų skilimo dukterinių produktų gausa parodė, kad Saulės sistemą praturtinęs sprogimas įvyko maždaug 80 milijonų metų iki susiformuojant Žemei, maždaug 300 parsekų arba mažesniu atstumu nuo Saulės. Palyginus stebėjimus duomenis su skaitmeniniais modeliais nustatyta, kad Paukščių Take tokie praturtinimai įvyksta maždaug 1-100 kartų per milijoną metų. Toks dažnumas panašus į neutroninių žvaigždžių susiliejimo dažnumą, bet yra gerokai mažesnis, nei supernovų sprogimų dažnis, taigi supernovos negali būti pagrindinis aktinidų šaltinis; taip pat aktinidais Galaktikos praturtinti negali ir žvaigždžių vėjai. Susidūrimas, praturtinęs Saulės sistemą, greičiausiai atnešė į Žemę apie pusę procento čia esančio aukso, platinos ir urano. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Labai ankstyvas Mėnulio susiformavimas. Dabartinis Mėnulio atsiradimo modelis teigia, kad mūsų palydovas susiformavo po didžiulio susidūrimo, kai į jauną Žemę atsitrenkė maždaug Marso dydžio planeta Tėja. Susidūrimo metu dalis Žemės ir Tėjos išlėkė į orbitą, o dalis šios medžiagos vėliau susijungė į Mėnulį. Vienas tokio modelio trūkumas išryškėja skaičiuojant susidūrimo eigą skaitmeniniais modeliais. Jie prognozuoja, kad Mėnulis turėtų būti sudarytas daugiausiai iš Tėjos medžiagos, tačiau Mėnulio grunto mėginiai rodo, kad palydovo ir Žemės cheminė sudėtis yra praktiškai vienoda. Dabar pasiūlytas galimas problemos sprendimas: susidūrimo metu Žemė galėjo būti dar nesuformavusi kietos plutos. Skysta magma smūgio metu įkaista daug labiau, nei kieta Tėja, todėl lengviau išlekia į orbitą ir gali formuoti Mėnulį. Pagal naująjį modelį, apie 80% Mėnulio sudaro Žemės medžiaga ir tik 20% – Tėjos. Ankstesniuose modeliuose proporcijos buvo atvirkščios. Taigi naujasis rezultatas atrodo tikrai daug žadantis ir galintis išspręsti šiuo metu reikšmingiausią Mėnulio kilmės teorijų problemą. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

***

Veneros vidurinių debesų judėjimas. Venera turi labai storą ir tankią atmosferą, kuri juda 60 kartų greičiau, nei planetos paviršius. Šis reiškinys, vadinamas superrotacija, nėra iki galo suprastas. Nauji stebėjimai padeda jei ne paaiškinti, tai bent geriau apibūdinti atmosferos srautus kaimyninėje planetoje. Naujame tyrime pristatyta japonų zondo Akatsuki 2016 metų stebėjimų analizė. Šiais stebėjimais bandyta pažvelgti į debesis 50-55 km aukštyje virš planetos paviršiaus, gerokai giliau, nei įprastai tyrinėjami viršutiniai sluoksniai 70 km aukštyje. Paaiškėjo, kad viduriniuose Veneros debesyse yra gausybė nuolat kintančių struktūrų, tokių kaip juostos ar sūkuriai, kurių nematyti viršutiniuose sluoksniuose. Tai reiškia, kad Veneros debesų vidurinis sluoksnis yra bent dalinai nepriklausomas nuo viršutinio. Taip pat nustatyta, kad kartais vidurinis debesų sluoksnis ima periodiškai kisti – keturių-penkių dienų laikotarpyje nušvinta ir užtemsta infraraudonųjų spindulių diapazone. Šių pokyčių priežastis kol kas neaiški – tai gali būti debesų storio arba debesis sudarančių medžiagų pokyčiai. Apjungę Akatsuki duomenis su daugybe stebėjimų iš Žemės, mokslininkai taip pat nustatė, kaip Veneros debesys kinta per dešimt metų: ties pusiauju jie juda greičiau, nei prie ašigalių, bet judėjimo greitis nėra pastovus. Šių skirtumų priežastys kol kas taip pat dar neaiškios, bet geresnis supratimas apie debesų judėjimą padės išsiaiškinti ir superrotacijos prigimtį bei detales. Ateityje Veneros duomenys pasitarnaus ir analizuojant egzoplanetų atmosferas. Tyrimo rezultatai publikuojami Geophysical Research Letters.

***

Marso audros pašalina vandenį. Kadaise Marsas turėjo daug vandens paviršiuje, o dabar visas vanduo yra sustingęs į ledą arba pranykęs. Kaip tiksliai vanduo išgaravo iš planetos – neaišku. Naujame tyrime teigiama, kad tam galėjo pasitarnauti dulkių audros. Pernykštė globali dulkių audra, trukusi daugiau nei tris mėnesius, buvo pirmoji, kurią stebėjo ExoMars orbitinis zondas, skirtas Raudonosios planetos atmosferos tyrimams. Būtent šiuo zondu atlikti stebėjimai parodė, kad audros metu vandens molekulės pakilo net į 40-80 km aukštį virš Marso paviršiaus. Tarp audrų vandens neaptinkama didesniame nei 40 km aukštyje – tokiame aukštyje formuojasi vandens ledo debesys, kurie nukrenta atgal ant paviršiaus. Audros metu pakilusi planetos atmosferos temperatūra sustabdo ledo kondensaciją ir leidžia vandeniui kilti aukščiau, kur jį suardo Saulės spinduliai. Išlaisvinti vandenilio ir deguonies atomai pabėga į tarpplanetinę erdvę. Kol kas neaišku, kiek tiksliai vandens Marsas netenka audros metu, ir kiek panašus šis procesas buvo prieš milijardą metų ar daugiau, bet tikrai gali būti, kad būtent globalios audros yra vienas iš reikšmingų kanalų, per kuriuos Marsas neteko paviršinio vandens. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Ledo juosta Titane. Saturno palydovo Titano atmosferoje yra daug metano – tris kartus daugiau, nei visuose jo ežeruose ir jūrose kartu sudėjus. Jei šie skysčio telkiniai yra pagrindinis atmosferinio metano šaltinis, tuomet metanas Titane turėtų išnykti palyginus greitai, mat atmosferinis metanas nyksta veikiamas Saulės spindulių. Norėdami išsiaiškinti, iš kur dar galėtų atsirasti atmosferinis metanas, mokslininkai iš naujo ištyrė daugybę Cassini zondo darytų Titano paviršiaus nuotraukų. Tam jie panaudojo naujus vaizdų apdorojimo algoritmus, kurie leidžia išskirti daug subtilesnes paviršiaus struktūras, nei ankstesni. Analizės metu atrasta labai įdomi vandens ledo juosta, juosianti kone pusę palydovo pusiaujo. Juostos egzistavimas yra labai netikėtas, nes jos forma nekoreliuoja su jokiomis aiškiomis paviršiaus struktūromis, aptiktomis anksčiau. Vandens ledas sudaro didelę dalį Titano plutos, tačiau kitose palydovo vietose jį dengia įvairūs organiniai junginiai. Panašu, kad ties Titano pusiauju įvairūs procesai nugarina organinius junginius ir palieka „plikas“ vandens ledo uolienas. Didelė dalis juostos sudaryta iš stačių šlaitų, kurie galbūt yra senovinių vulkanų liekanos. Šiuo metu Titane vulkanizmo neaptikta, bet praeityje „vandenikalniai“ galėjo išmetinėti vandenį ir minkštą ledą iš palydovo gelmių į paviršių. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Kaip galėtų atrodyti pirmasis kontaktas su nežemiška civilizacija? Fantastinėje literatūroje tokių scenarijų apstu, o kaip būtų realybėje? Kol kas, aišku, nežinome, bet pasvarstyti visada įdomu. Apie tai – savaitės filmuke iš John Michael Godier kanalo:

***

Nykštukinėje galaktikoje gimusi žvaigždė. Paukščių Takas, kaip ir kitos didelės galaktikos, per savo gyvenimą prarijo ne vieną mažesnę kaimynę. Šių nykštukinių galaktikų žvaigždės turėtų turėti kitokią cheminę sudėtį, nei gimusios Paukščių Take, nes galaktikų cheminė evoliucija priklauso nuo jų masės. Dabar Galaktikos hale aptikta žvaigždė, aiškiausiai besiskirianti nuo Paukščių Take susiformavusių, taigi neabejotinai susiformavusi nykštukinėje galaktikoje. Žvaigždė nepriklauso jokiam žvaigždžių srautui, taigi vien iš jos judėjimo neįmanoma nustatyti jos kilmės – tam reikia informacijos apie jos sudėtį. Žvaigždė turi apie aštuonis kartus mažiau magnio, nei įprasta Paukščių Take, ir apie dešimt kartų daugiau europio. Pastarasis elementas formuojasi neutroninių žvaigždžių susiliejimų metu – tokie procesai santykinai dažnesni nykštukinėse galaktikose, nei didelėse. Didelėse galaktikose santykinai dažnesni supernovų sprogimai, kurie praturtina aplinką ir vėlesnių kartų žvaigždes geležimi ir gretimais elementais, o ne tokiais masyviais, kaip europis. Mažas magnio kiekis byloja, kad žvaigždė susiformavo ir į Paukščių Taką pateko gana vėlai, lyginant su dauguma Paukščių Tako hale randamų žvaigždžių. Tai reiškia, kad Galaktika augo ir tebeauga nuolatos, be reikšmingų pertrūkių. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Juodosios skylės – neutroninės žvaigždės susiliejimas? Kol kas aptikti daugiau nei dešimt gravitacinių bangų signalų, atsklindančių iš dviejų juodųjų skylių susijungimo. Taip pat du signalai iš dviejų neutroninių žvaigždžių susiliejimų, pasibaigusių gama spindulių žybsniais. Kartais susijungti gali ir neutroninė žvaigždė su juodąja skyle, ir gali būti, kad tokio įvykio signalas neseniai buvo aptiktas. Nors atradimas dar nėra publikuotas moksliniu straipsniu, ir jo kilmė kol kas nepatvirtinta, vien galimybė yra tikrai įdomi. Signalas užfiksuotas balandžio 26 dieną ir greičiausiai yra dviejų neutroninių žvaigždžių susiliejimas, bet egzistuoja maždaug 1/7 tikimybė, kad tai yra neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės susiliejimo aidas. Šiuo metu vykdomi stebėjimai dangaus dalyje, iš kurios atsklido signalas, bandant atrasti įvykio elektromagnetinius pėdsakus. Jei paaiškėtų, kad tai tikrai yra dviejų skirtingų objektų susijungimas, šis atradimas padėtų išsiaiškinti daugiau ir apie gravitacines bangas, ir apie neutronines žvaigždes. Neutroninės žvaigždės masė yra mažesnė, nei juodosios skylės, todėl artėdama prie pastarosios subyrėtų į gabalus – tai leistų pamatyti, kas yra neutroninės žvaigždės viduje. Be to, susiliejančių objektų masių santykis būtų daug didesnis, nei iki šiol aptiktų įvykių, taigi galėtume įvertinti, ar susiliejimo modeliai galioja ir tokiu atveju.

***

Netolygi juodosios skylės čiurkšlė. Dalis medžiagos, besisukančios aplink juodąją skylę ir krentančios jos link, dažnai yra išmetama tolyn čiurkšlėmis – ypatingai greitai medžiagos srautais, statmenais akreciniam diskui. Čiurkšlės įprastai stebimos gama spindulių ruože, nes didžiulė medžiagos energija yra pakankama sukurti tokiems energingiems fotonams. 2015 metais nustatyta, kad viena juodoji skylė čiurkšlę išmeta ne tolygiai, o spjaudosi plazmos pliūpsniais maždaug kas valandą. Dabar pateiktas galimas tokio elgesio paaiškinimas. Nagrinėjama sistema yra dvinarė žvaigždė Gulbės V404, sudaryta iš juodosios skylės ir raudonosios milžinės. Juodosios skylės gravitacija nuplėšia dalį milžinės paviršiaus medžiagos ir prisitraukia ją; taip kartais aplink juodąją skylę susiformuoja akrecinis diskas ir sistema nušvinta žymiai ryškiau, nei įprastai. Vienas toks žybsnis stebėtas 1989 metais, kitas – 2015-aisiais. Tada sistemą net keturias savaites be perstojo stebėjo gama spindulių teleskopas INTEGRAL, kuriuo ir aptikti plazmos pliūpsniai. Naujame tyrime apskaičiuota, kad tokį sistemos elgesį paaiškintų juodosios skylės ir jos akrecinio disko sukimosi ašių nesutapimas. Tokiu atveju juodoji skylė ima precesuoti, kaip ant stalo besisukantis vilkelis, o kartu su ja precesuoja ir centrinė akrecinio disko dalis. Taigi ir čiurkšlė išmetama ne visą laiką viena kryptimi, o nuolat kintančiomis. Kai čiurkšlė atsisuka į mus – o Gulbės V404 sistemoje tai turėtų nutikti maždaug kas valandą – mes matome plazmos pliūpsnį, o kitu metu švytėjimas mūsų kryptimi stipriai sumažėja. Kol kas neaišku, kas nulėmė sukimosi ašių nesutapimą; bet koks nesutapimas, egzistavęs tik atsiradus juodajai skylei, turėjo gana greitai pranykti dėl skylės ir akrecinio disko sąveikos. Taip precesuojanti čiurkšlė paveikia didesnę dalį žvaigždės aplinkos, nei stacionari, taigi aplink Gulbės V404 turėtų formuotis didelis išstumdytos tarpžvaigždinės medžiagos burbulas. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Galaktikų sukimosi kreivių įvairovė. Prieš beveik trejus metus buvo paskelbta daugybės spiralinių galaktikų sukimosi kreivių analizė, neva paneigianti tamsiosios materijos egzistavimą ir patvirtinanti alternatyvių gravitacijos teorijų, tokių kaip MOND (Modifikuotoji niutoninė dinamika), prognozes. Tada nustatyta, kad spiralinėse galaktikose žvaigždžių judėjimo pagreitį galima labai tiksliai apskaičiuoti, remiantis vien regimąja materija, esančia arčiau galaktikos centro, nei nagrinėjama žvaigždė. Tiesiog skaičiuoti reikia ne remiantis klasikinėmis (Niutono) gravitacijos lygtimis, o jas modifikuojant, kaip ir siūlo MOND. Netrukus buvo parodyta, kad ir standartinis kosmologinis modelis, įtraukiantis tamsiąją materiją, atkuria stebimą sąryšį, bet išliko klausimas, ar tikrai tamsioji materija reikalinga, jei galaktikų sukimąsi MOND paaiškina paprasčiau. Dabar naujame tyrime išnagrinėtas ne tik spiralinių, bet ir nykštukinių sferoidinių bei labai blausių galaktikų žvaigždžių judėjimas ir nustatyta, kad MOND duomenų paaiškinti negali. Skirtingų tipų galaktikose ryšys tarp stebimo žvaigždžių pagreičio ir jo vertės, kurią prognozuoja niutoninė dinamika, yra labai įvairus ir priklauso nuo to, kaip toli nuo galaktikos centro yra nagrinėjama žvaigždė. MOND prognozuoja, kad realus ir prognozuojamas pagreičiai turi nekintantį sąryšį nepriklausomai nuo galaktikos tipo ar padėties. Tuo tarpu standartinė kosmologinė teorija teigia, kad tamsiosios materijos halai gali būti labai skirtingi ir skirtingos masės bei dydžio galaktikoms suteikia skirtingas sukimosi kreives, kaip ir stebima. Taigi MOND dar kartą paneigta, o tamsiosios materijos hipotezė gavo dar vieną, nors ir netiesioginį, patvirtinimą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Hubble’o palikimo laukas. Šaltinis: NASA/ESA/Hubble

Beveik 30 metų veikiantis teleskopas Hablas padarė daugybę dangaus nuotraukų diapazone nuo infraraudonųjų iki ultravioletinių spindulių. Vieni žinomiausių stebėjimų yra Gilusis laukas (Hubble Deep Field), Ultra-gilusis laukas (Hubble Ultra-Deep Field) ir Ekstremalus gilusis laukas (Hubble Extreme Deep Field), paskelbti atitinkamai 1995, 2004 ir 2012 metais. Jų visų idėja paprasta: teleskopas nukreiptas į „tuščią“ dangaus regioną, kuriame per daug valandų trukusius stebėjimus išryškėjo daugybė galaktikų. Dabar paskelbtas dar vienas – Palikimo laukas (Hubble Legacy Field), 7500 panašių gilių nuotraukų montažas. Jo plotas panašus į Mėnulio pilnaties plotą danguje, o montaže matyti daugiau nei 250 tūkstančių galaktikų. Tai ir artimos, ir labai tolimos galaktikos, aprėpiančios visą jų įvairovę nuo didžiausių iki mažiausių, nuo ramiausių iki aktyviausių ir taip toliau. Didesnę iliustraciją rasite čia.

***

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

Laiqualasse

2 comments

  1. Sveiki,
    Del veneros oro masiu judejimo kaip ir aisku. Arti saule, todel planeta gauna daug energijos ir del nevienodo isilimo susidaro dideli vejai.
    Idomu, kad astronomai sugalvojo menulio atsiradimo keista istorija. Kam ta mistine planeta teja. Ar nebutu paprasciau ir aiskiau, kad menulis formavosi kaip ir visi planetu palydovai tuo paciu metu?
    Dar pries desimt metu buvo aiskiai sakoma, kad vandens saules sistemoje niekur nera, isskyrus zeme. Idomu ar saturno palydove ar europoj jo is tikro yra 100 proc ar tik ,,speliojama,, pagal kokius nors matematinius modelius?
    Dar klausimas del juoduju skyliu ar neutroniniu zvaigzdziu spinduliavimo susiliejimo metu. Pagal aprasyma supratau, kad zybsniai pagauti tam tikra diena gal net tam tikra valanda.
    Neisivaizduoju, kaip gali tokie didziuliai objektai susilieti per toki trumpa laika?
    Min susiliejimas vyksta kelis tukstancius metu. Panasu, kad ir spinduliavimas tiek vyksta.

    1. Dėl Mėnulio – nėra tai labai keista teorija, ji paaiškina daugybę Mėnulio ir Žemės panašumų ir Mėnulio keistumų (pavyzdžiui, santykinai didelį dydį, lyginant su Žeme), kurių nepaaiškintų tiesiog Mėnulio formavimasis šalia Žemės. Be to, formuotis „kaip visi palydovai tuo pačiu metu“ nelabai įmanoma prie Žemės dydžio planetos, nes ji nesuformuoja aplink save reikšmingo dujų/dulkių disko, priešingai nei koks Jupiteris ar Saturnas.
      Dėl vandens – taip, Encelade, Europoje ir turbūt Ganimede vandens tikrai yra. Cassini ir Hubble stebėjimai tą patvirtino vienareiškmiškai, be to, pačių palydovų „lankstymasis“ dėl planetų gravitacijos įtakos rodo, kad jie nėra visiškai kieti.
      Dėl susiliejimų – trukmė priklauso nuo to, ką vadinsime „susiliejimu“. Objektai dvinarėje sistemoje vienas prie kito artėja milijardus metų, bet pastebimas gravitacines bangas skleidžia tik paskutinėmis sekundėmis ar sekundės dalimis prieš susilietimą ir tapimą vienu objektu. Gama spindulių žybsnis, įvykstantis susiliejant neutroninėms žvaigždėms, taip pat įvyksta per labai trumpą – sekundžių/minučių – laiko tarpą, prasideda tada, kai viena iš neutroninių žvaigždžių yra suardoma kaimynės gravitacijos, o baigiasi, kai iš tų dviejų objektų pasidaro vienas. Taip, kai kurie astronominiai procesai vyksta labai trumpai, o ne labai ilgai.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *