Kąsnelis Visatos CCCLXXXV: Karštis ir šaltis

Nuo karštyje besiformuojančių meteoritų iki dujų disko prie mūsų Galaktikos juodosios skylės, nuo temperatūros anomalijų kosminėje foninėje spinduliuotėje iki jaunas planetas supančių karštų apvalkalų, praėjusios savaitės naujienose yra daug karščio ir šalčio. Taip pat naujienose – kosminis turizmas, kitos žvaigždės, nei Saulė, išsiveržimas bei šis tas apie tamsiąją materiją galaktikose. Gero skaitymo!

***

Turizmas Tarptautinėje kosminėje stotyje. Tarptautinė kosminė stotis (TKS) turėtų dirbti iki 2024 metų. Koks likimas jos laukia vėliau – nežinia. Gali būti, kad ją teks nuskraidinti į žemesnę orbitą, kad sudegtų atmosferoje, o galbūt pavyks perduoti privačiam kapitalui, kad ji taptų muziejumi ar turistų traukos objektu. Būtent pastarąjį TKS panaudojimą NASA planuoja pradėti jau nuo 2020 metų. Planuojama siūlyti po dvi trumpalaikes – iki mėnesio trukmės – privačias misijas per metus. Vienos misijos metu į TKS galėtų atkeliauti iki šešių turistų. Kelionės kaina, aišku, didžiulė – 58 milijonai dolerių už pačią kelionę ir dar apie milijoną dolerių už mėnesio lankymąsi stotyje. Tiesa, šie turistai nebūtų pirmieji, lankęsi TKS – šio amžiaus pradžioje iki jos buvo nuskridę keli milijonieriai. Visgi toks TKS atvėrimas privačiam kapitalui būtų naudingas ne tik turtingiems žmonėms, norintiems naujų potyrių, bet ir kompanijoms, norinčioms vystyti savo kosmines technologijas. Tokie bandymai galėtų atpiginti privačių kosminių misijų kainą ir taip paversti kosmoso verslą pelningu. Tokiu atveju NASA tikisi sulaukti daugiau pasiūlymų perimti TKS valdymą po 2024 metų, nes toks stoties ateities scenarijus yra patrauklesnis, nei stoties sunaikinimas.

***

Europietiškas daugkartinis kosminis laivas. JAV ne vieną dešimtmetį turėjo Šatlus, o dabar kuria įvairius jų pakaitalus. Rusija turi Sojuz daugkartinio naudojimo kapsules; Kinija Sojuz pagrindu pagamino savo Shenzhou kapsules. Europa iki šiol neturėjo jokio panašaus daugkartinio naudojimo kosminio laivo, bet artimiausiu metu tai turėtų pasikeisti. Nors šiuo metu dar tik vystomas prototipas, tikimasi, kad Space Rider bus pradėtas naudoti 2022 metais. Tiesa, šis erdvėlaivis nebus skirtas įgulai, o veiks visiškai autonomiškai. Tačiau jis turės 1200 litrų talpos krovinių skyrių, kuriame bus galima sudėti iki 800 kilogramų įrangos ir maitinti ją iki 600 vatų galia. Numatoma, kad erdvėlaivis galės pakilti į 450 kilometrų aukštį – aukščiau, nei Tarptautinė kosminė stotis – ir ten skraidyti iki dviejų mėnesių. Kiekvieno skrydžio metu erdvėlaivis iš principo galėtų skristi kitokioje orbitoje, o tai labai praplečia galimų eksperimentų įvairovę. Space Rider galėtų pasitarnauti tikrinant telekomunikacijų, Žemės stebėjimų ir kitas technologijas, kurias vėliau galėtume įdiegti ilgalaikiuose palydovuose. Daugkartinis panaudojimas taip pat reiškia, kad kiekviena misija kainuos santykinai nedaug, todėl jas bus galima rengti nuolatos ir daug efektyviau, nei dabar, kai pasirengimas kiekvienai naujai misijai užtrunka metus, jei ne dešimtmečius. Šiuo metu baigiamas ruošti erdvėlaivio dizainas; jei jis bus patvirtintas metų pabaigoje, nuo kitų metų prasidės gamybos darbai ir bandymai.

***

Meteoritų formavimosi procesas. Maždaug 90% visų į Žemę nukrentančių meteoritų yra uoliniai. Juose randamos chondrulės – mažos kietos sferos, susiformavusios uolienoms išsilydžius ir staigiai atvėsus. Žemės uolienose chondrulių nerandame, taigi aišku, kad jų formavimasis vyko kosminėje erdvėje. Bet kol kas vis dar neaišku, kaip šis procesas vyko iš tiesų, ypač kas galėjo taip staigiai ir tik trumpam įkaitinti uolienas. Dabar pasiūlytas mechanizmas, kurio veikimas patikrintas ir teoriniais skaičiavimais, ir laboratoriniais eksperimentais. Pagrindinė modelio idėja – chondrulės susiformavo, kai dulkių sankaupos įkaito ir išsilydė, praskrisdamos šalia karštų, magma padengtų asteroidų ar protoplanetinių objektų. Eksperimentiškai nustatyta, kad sankaupai priartėjus per maždaug pusę asteroido spindulio prie jo paviršiaus, galima suformuoti chondrulę. Dideli prasilenkimo greičiai reiškia, kad kaitinimas vyksta trumpai – vos kelias valandas, ko ir reikia chondrulėms susiformuoti. Didesnė sankaupa, susidedanti iš dulkių bei ledo, įkaitusi ima garuoti, o tai sudaro dar geresnes sąlygas chondrulių formavimuisi. Susiformavusios chondrulės lieka įstrigusios didesniame objekte, kuris irgi šiek tiek susitraukia ir sutankėja. Jaunoje Saulės sistemoje tokių karštų asteroidų buvo pakankamai daug, kad praskridimai pro juos sukurtų tiek chondrulių, kiek jų turėtų būti šiandien. Tiesa, toli gražu ne visi kosmose skraidantys meteoroidai turėtų būti pilni chondrulių – tiesiog minkštesni objektai, krisdami į Žemę, sudega atmosferoje ir nepasiekia paviršiaus. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Labai jaunos planetos. Planetų formavimosi procesas trunka nuo kelių iki keliolikos milijonų metų. Kuo ankstyvesnė proceso stadija, tuo sunkiau pamatyti tas planetas, nes jų skleidžiama spinduliuotė ir poveikis aplinkai yra silpni. Dabar naujame tyrime pristatytos dvi labai jaunos planetos, besiformuojančios aplink jauną žvaigždę PDS 70. Ši žvaigždė yra šiek tiek mažesnė už Saulę, o jos amžius nesiekia 10 milijonų metų – būtent prie tokių žvaigždžių ir formuojasi planetos. Naujasis atradimas padarytas naudojant MUSE spektrografą, įrengtą Labai dideliame teleskope (VLT), esančiame Čilės Atakamos dykumoje. Juo stebint PDS 70, šalia žvaigždės aptikti du jonizuoto vandenilio spinduliuotės šaltiniai. Abu jie atitiko seniau aptiktus sutankėjimus žvaigždę supančiame diske. Arčiau žvaigždės esantis sutankėjimas dar pernai identifikuotas kaip planeta, bet tolimesnis tokia pripažintas tik dabar. Jonizuotas vandenilis prie planetų egzistuoja todėl, kad į jas sparčiai krenta medžiaga, o krisdama ji įkaista ir ima ryškiai spinduliuoti. Abi planetos yra maždaug Jupiterio masės arba masyvesnės; nuo žvaigždės jos nutolusios gerokai daugiau, nei dujinės milžinės Saulės sistemoje. Tiesa, jų temperatūra – daug aukštesnė, nei Jupiterio ar Saturno; tai yra dar vienas įrodymas, kad į jas krenta įkaitusios dujos, o planetų masė vis dar auga. Taip pat labai įdomu, kad išorinės planetos orbitos periodas yra dvigubai ilgesnis, nei vidinės; kitaip tariant, jos yra rezonanse ir sistemoje turėtų migruoti kartu. Manoma, kad Saulės sistemoje Jupiterio ir Saturno orbitų rezonansas bei migracija nulėmė uolinių planetų mases, Asteroidų žiedo egzistavimą ir kai kurias kitas savybes. Tolesni PDS 70 planetų stebėjimai padės geriau suprasti, kiek toks jungtinis migravimas gali paveikti visos sistemos savybes. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Kitos žvaigždės išsiveržimas. Saulėje nuolatos vyksta žybsniai, o kartais išsiveržia medžiagos pliūpsniai, vadinami vainikinės masės išmetimais (angl. Coronal mass ejection, CME). Dabar pirmą kartą analogiškas CME reiškinys aptiktas kitoje žvaigždėje – už 140 parsekų esančioje Andromedos OU. Ši žvaigždė turi stiprų magnetinį lauką, todėl yra labai aktyvi; joje nuolatos stebimi žybsniai. Būtent vienas toks žybsnis, užfiksuotas Chandra kosminiu rentgeno spindulių teleskopu, ir sukėlė CME. Kaip įprastai žybsnių metu, Chandra užfiksavo labai karštą plazmą, tolstančią nuo žvaigždės paviršiaus ir prie jo artėjančią. Plazmos greičiai buvo 100-400 km/s, daugmaž tipiniai tokios žvaigždės žybsniams. Bet po kurio laiko aptikta truputį vėsesnė plazma, tolstanti nuo žvaigždės maždaug 90 km/s greičiu. Toks judėjimas išsilaikė pakankamai ilgai, kad būtų galima jį įvardinti kaip CME požymį. Kitaip tariant, kylanti medžiaga pabėgo nuo žvaigždės. Apskaičiuota, kad žvaigždė išmetė maždaug dešimt tūkstančių kartų daugiau masės, nei didžiausi Saulėje užfiksuoti CME. Tai yra nykstamai mažas kiekis, lyginant su žvaigždės mase. Visgi tokio stipraus CME aptikimas yra labai svarbus, nes šie duomenys padės patikrinti ir patikslinti žvaigždžių aktyvumo modelius, kurie kol kas daugiausiai kalibruojami pagal Saulę. Kol kas atrodo, kad stebėtas reiškinys puikiai atitiko modelių prognozes – tai leidžia manyti, kad bent jau pagrindinius procesus, nulemiančius žvaigždžių aktyvumą, suprantame gana gerai. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Dviejų neutroninių žvaigždžių susidūrimas sukelia ne tik gama spindulių žybsnį bei gravitacinių bangų signalą, bet taip pat pažeria į aplinką daug įvairiausių cheminių elementų. Apie alchemiją, vykstančią šiuose ekstremaliuose įvykiuose, žiūrėkite savaitės filmuke:

***

Šaltos dujos Galaktikos centre. Mūsų Galaktikos centre yra keturis milijonus kartų už Saulę masyvesnė supermasyvi juodoji skylė, vadinama Šaulio A*. Ją supa karštų retų dujų vainikas; dujos po truputį krenta į juodąją skylę ir spinduliuoja maždaug 300 kartų ryškiau, nei Saulė. Toks šviesis yra labai nedidelis, lyginant su kai kurių kitų galaktikų centruose esančiais objektais, į kuriuos krentančios dujos gali šviesti milijardus kartų ryškiau, nei Šaulio A*. Sparčiai krentančios į juodąją skylę dujos įprastai aplink ją suformuoja ploną santykinai šaltą diską, o lėtai krentančios – halą, tokį kaip prie Šaulio A*. Taigi ilgą laiką buvo manoma, kad šaltų dujų prie Šaulio A* išvis neturėtų būti. Bet nauji stebėjimai rodo ką kita – kartu su labai karštu halu egzistuoja ir šaltesnis diskas. Disko spindulys siekia apie 1700 astronominių vienetų; vienoje pusėje nuo Šaulio A* matyti, kad jį sudarančios dujos tolsta nuo mūsų, priešingoje – artėja. Dujų temperatūra siekia apie dešimt tūkstančių kelvinų – maždaug tokia ji yra ir kitas supermasyvias juodąsias skyles supančiuose diskuose. Tuo tarpu sferiško vainiko dujos įkaitusios iki dešimties milijonų kelvinų. Disko masė yra labai maža – kelios šimtatūkstantosios Saulės masės dalys – tai paaiškina ir Galaktikos centro blausumą. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Detaliausias juodosios skylės modelis. Kai prie juodosios skylės yra daug dujų, jos susisuka į ploną diską. Juodoji skylė irgi sukasi, o disko ir skylės sukimosi plokštumos nebūtinai turi sutapti. Dar aštuntajame dešimtmetyje iškelta hipotezė, kad laikui bėgant centrinė disko dalis išlinksta ir jos sukimosi kryptis susilygina su skylės, tuo tarpu išorinė dalis lieka pasvirusi. Nuo tada ne kartą bandyta hipotezę patikrinti įvairiais skaitmeniniais modeliais, bet visuose juose teko daryti įvairių prielaidų apie kai kuriuos fizikinius procesus – pavyzdžiui, dujų vėsimą, magnetinius laukus ar reliatyvistinius efektus. Dabar pristatyti rezultatai skaitmeninio modelio, kuriuo disko evoliucija suskaičiuota nedarant jokių prielaidų. Šie rezultatai patvirtina hipotezę: centrinė disko dalis tikrai susilygina su juodosios skylės sukimosi plokštuma. Taip pat nustatyta, kad išorinėje disko dalyje magnetinio lauko linijos susisuka į tunelius, per kuriuos gali išsiveržti labai stiprios medžiagos čiurkšlės. Jų galia siekia 20-50 procentų krentančių dujų išspinduliuojamos galios. Toks santykis gana gerai atitinka stebėjimų duomenis. Šis modelis – tik pirmas toks; jame pasirinkta disko konfigūracija, supaprastinanti skaičiavimus – diskas iš pradžių pasviręs tik 10 laipsnių kampu į juodosios skylės sukimosi plokštumą. Ateityje tyrėjai tikisi apskaičiuoti disko evoliuciją, kai pradinis kampas yra didesnis, taip pat įtraukti aplink diską esančių karštesnių retesnių dujų judėjimą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Daugiafaziai galaktiniai vėjai. Daugelyje aktyvių galaktikų aptinkami vėjai, judantys dešimčių tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu, ir masyvios tėkmės, judančios gerokai lėčiau, bet išstumiančios didžiąją dalį galaktikos dujų. Pastaruoju metu vis daugiau bandoma vėjus ir tėkmes nagrinėti kartu, stebint galaktikas įvairiais teleskopais ir siekiant susidaryti kuo bendresnį vaizdą apie aktyvaus branduolio poveikį. Dabar pristatyti už 500 megaparsekų esančios aktyvios galaktikos stebėjimai, kuriuose nagrinėjamas jonizuotų bei molekulinių dujų judėjimas. Nustatyta, kad galaktikoje yra ir jonizuotų, ir molekulinių dujų tėkmė; taip turėtų būti daugumoje tėkmes turinčių galaktikų, bet iki šiol aptikti abu reiškinius vienu metu būdavo sudėtinga. Abi tėkmės nuo galaktikos centro nutolusios panašiu pusantro kiloparseko atstumu, nors jonizuotos dujos juda šiek tiek greičiau, nei molekulinės: atitinkamai 330 ir 100 km/s greičiu. Apskritai molekulinių dujų tėkmė yra daug masyvesnė, o jos kinetinė galia siekia beveik 2% aktyvaus branduolio šviesio. Šios savybės gerai atitinka teorinių modelių prognozes, tačiau modeliai kol kas sunkiai gali prognozuoti skirtingų tipų tėkmių, judančių vienoje galaktikoje, savybes. Tokie atradimai, kaip šis, padės geriau suprasti tokias detales. Tyrimo rezultatai arXiv.

***


Galaktika NGC 7773, panaši į Paukščių Taką. Šaltinis: ESA/Hubble & NASA, J. Walsh

Savaitės paveiksliukas – spiralinė galaktika NGC 7773, turinti skersę. Skersė yra ta horizontali pailga šviesi struktūra galaktika centre, nuo kurios galų prasideda spiralinės vijos. Ji susidaro spontaniškai, žvaigždėms ir dujoms judant savo pačių ir tamsiosios materijos generuojamame gravitaciniame lauke. Jaunos spiralinės galaktikos, matomos ankstyvojoje Visatoje, skersių neturi, taigi struktūros yra „subrendusių“ galaktikų požymis. Mūsų Paukščių Takas irgi turi skersę, bet tyrinėti ją sunku, nes patys esame Galaktikos viduje. Tad nagrinėdami kitas spiralines galaktikas, geriau suprantame ir saviškę.

***

Tamsioji materija galaktikose. Pagal dabartinį kosminių struktūrų formavimosi modelį, visos galaktikos turi tamsiosios materijos halus, kurių gravitacija išlaiko žvaigždes ir dujas savo orbitose. Skirtingose galaktikose gali būti skirtingi kiekiai tamsiosios materijos, bet visose ji turėtų būti dominuojanti komponentė pagal masę. Taigi kai pernai buvo aptikta galaktika, atrodytų, neturinti tamsiosios materijos, astronomai susidomėjo ir pradėjo svarstyti standartinio modelio modifikacijas bei alternatyvas. Dabar pateiktas anomalijos paaiškinimas, kuris, pasirodo, yra žymiai paprastesnis – tiesiog buvo neteisingai nustatytas atstumas iki tos galaktikos. Tokią mintį tyrėjams pakišo visų galaktikos savybių nagrinėjimas: paaiškėjo, kad galaktikos savybės, kurias galime nustatyti nepriklausomai nuo atstumo, yra gana normalios, o priklausančios nuo atstumo – labai keistos. Iš naujo išanalizavę turimus galaktikos stebėjimų duomenis, mokslininkai priėjo išvadą, kad galaktika iš tiesų yra pusantro karto arčiau mūsų – 13 megaparsekų atstumu, o ne dvidešimties. Pataisius atstumo įvertį, pasitaisė ir visos kitos apskaičiuotos savybės. Viena iš šių savybių yra absoliutus galaktikos šviesis, kylantis iš žvaigždžių skleidžiamos spinduliuotės, taigi sumažėjo ir tikėtina galaktikos žvaigždžių masė. Dabar ji sudaro tik apie 60 milijonų Saulės masių. Visa galaktikos masė yra bent milijardas Saulės masių, taigi likusią dalį turėtų sudaryti tamsioji materija. Tyrimo rezultatai arXiv.

Tamsiosios materijos halo savybės gali padėti nustatyti galaktikos evoliucinę istoriją. Pavyzdžiui, jeigu galaktika ilgą laiką buvo labai rami ir beveik neformavo žvaigždžių, tamsioji materija joje turėtų būti išsidėsčiusi labiau koncentruotai, nei žvaigždes formuojančioje galaktikoje. Norėdami patikrinti šį ryšį, astronomai ištyrė galaktiką Mrk 1216, kuri yra palyginus netoli mūsų (nutolusi per 93 megaparsekus), tačiau jos žvaigždės – labai senos, visos susiformavusios per pirmus du milijardus metų po Didžiojo sprogimo. Žvaigždžių ir dujų kinematikos analizė parodė, kad galaktika yra neįprastai koncentruota – turi tankią kompaktišką centrinę dalį ir plačiai pasklidusius retus pakraščius. Tokia savybė visiškai atitinka teorinę prognozę; be to, tai daro šią galaktiką panašią į ankstyvojoje Visatoje aptinkamus „raudonuosius grynuolis“ – kompaktiškas galaktikas, kurios jau nebeformuoja žvaigždžių. Iš šių galaktikų vėliau susiformavo didelė dalis šiandieninių didelių elipsinių galaktikų. Tikimasi, kad pavyks aptikti ir daugiau panašių į Mrk 1216 objektų, kurie padės geriau suprasti masyvių elipsinių galaktikų evoliuciją. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Foninės spinduliuotės poliarizacija. Kosminė foninė mikrobangų spinduliuotė yra puikus informacijos šaltinis apie mūsų Visatos savybes praėjus 380 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo. Kosmologinis modelis, vadinamas ΛCDM (Lambda ir šaltosios tamsiosios materijos modelis), prognozuoja spinduliuotės savybes, o detalūs stebėjimai leidžia prognozes patvirtinti. Naujausias šiems stebėjimams skirtas prietaisas yra Planck kosminis teleskopas, kurio pirmoji duomenų analizė paskelbta 2013 metais, antroji – 2015, o trečioji – dabar. Ankstesnėse analizės buvo nagrinėjama spinduliuotės temperatūra ir jos pasiskirstymas, o naujausioje taip pat įtraukiami fotonų poliarizacijos duomenys. Poliarizacija – tai elektromagnetinių bangų bangavimas vienoje plokštumoje. Šviesą poliarizuoti gali įvairūs procesai, pavyzdžiui atsispindėjimas, arba kokie nors dar nesuprasti fizikiniai reiškiniai. ΛCDM prognozuoja tam tikrą foninės spinduliuotės poliarizacijos pasiskirstymą, o naujieji Planck duomenys šią prognozę atitinka idealiai. Vieninteliai įmanomi nukrypimai galėtų egzistuoti tik gana mažuose masteliuose, mažesniuose už Mėnulio pilnaties dydį dangaus skliaute, mat tokių mastelių duomenys dar pernelyg netikslūs, kad galima būtų juos deramai analizuoti. Įdomu, kad temperatūros duomenyse randamos kelios didelio mastelio anomalijos – nukrypimai nuo ΛCDM prognozių. Pavyzdžiui, atrodo, kad foninės spinduliuotės temperatūra nėra pasiskirsčiusi tolygiai visomis kryptimis, o egzistuoja tam tikra ašis, išilgai kurios įvairaus mastelio temperatūrų skirtumai yra stipresni, nei kitomis kryptimis. Poliarizacijos duomenyse panašių anomalijų neaptikta, taigi temperatūros anomalijas paaiškinti darosi sunkiau. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

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

Laiqualasse

2 comments

  1. Sunku isivaizduot kaip gali fonine spinduliuote taip ilgai isbut vietoj ir nenulekt kazkur tokj ilga laiko tarpa?
    Ir kaip atskirt butent ta ka aptinka nuo dabartiniu spinduliavimo ivairiu saltiniu?

    1. Kosminė spinduliuotė vienoje vietoje neišlieka. Tie jos fotonai, kuriuos matome dabar, buvo išspinduliuoti labai labai toli ir šiuo metu lekia pro mūsų teleskopus. Tiesiog tie fotonai buvo išspinduliuoti absoliučiai visoje Visatoje, todėl jie visą laiką lekia ir pro mus. Čia galima šiek tiek palyginti su oro molekulėmis kambaryje – jos visą laiką juda, bet jų visą laiką yra visame kambaryje, jos nesusitelkia į kokį vieną tašką. Su fotonais panašiai, tik tiek, kad jie tarpusavyje nesusiduria ir neatsimuša.

      Tai, kas aptinkama, yra įvairūs fotonai. Dalis fotonų atsklinda iš aiškių šaltinių – žvaigždžių, aktyvių galaktikų branduolių, tarpžvaigždinės medžiagos ir pan. Dalis fotonų tokių aiškių šaltinių neturi – jie sudaro foninę spinduliuotė. Fonas būna įvairus – rentgeno, infraraudonasis, mikrobangų. Mums įdomus būtent pastarasis – jis yra (beveik) vienodas visomis kryptimis, be to, nežinome jokių kitų šaltinių, kurie galėtų sukurti tokį foną. Tuo tarpu rentgeno ar IR foną sukuria šaltiniai, pernelyg blausūs, kad pamatytume juos pavienius, bet šio fono spektras atitinka tikėtiną tų šaltinių spektrą.

Komentuoti: Laiqualasse Atšaukti atsakymą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *