Kąsnelis Visatos CCCLXXXIX: Šviesa

Asteroidai ir kometos, pralekiantys netoli Žemės, šiek tiek gąsdina, bet taip pat yra labai naudingi, siekiant suprasti planetų formavimosi procesą. Pora praėjusios savaitės naujienų yra kaip tik apie tokius tyrimus. Kitose naujienose – daugybė įvairių atradimų, nuo neįprastos planetos atmosferos iki pirmųjų juodųjų skylių formavimosi. Gero skaitymo!

***


Saulės užtemimas iš La Silla, Čilėje. Šaltinis: Petr Horálek / ESO

Prieš savaitę Pietų Amerikoje buvo matomas Saulės užtemimas. Savaitės paveiksliukas – montažas, rodantys užtemimo progresą nuo pradžios (viršuje) iki pabaigos, Saulei beveik nusileidus.

***

Labai šviesūs artimi asteroidai. Šiuo metu žinome apie 20 tūkstančių asteroidų, kurių orbitos kerta Žemės orbitą. tokie objektai yra didžiosios dalies Žemėje randamų meteoritų šaltinis, o jų tyrimai padeda mums geriau suprasti ir planetų formavimosi procesą. Dauguma artimųjų asteroidų aptikti vykdant paieškas regimųjų spindulių ruože, tačiau tokie stebėjimai neleidžia nustatyti vieno iš svarbiausių asteroido parametrų – jo dydžio. Taip yra todėl, kad asteroidas gali būti ryškus dėl to, kad yra didelis, arba dėl to, kad atspindi daug Saulės šviesos – sakome, kad jis turi didelį albedą. Pastaraisiais metais daugiau nei 3000 artimų asteroidų dydžiai išmatuoti remiantis infraraudonaisiais stebėjimais – šiame ruože asteroido savasis šviesis yra stipresnis, nei atspindėta Saulės spinduliuotė, taigi tampa įmanoma nustatyti ir jo dydį. Kiek netikėtai paaiškėjo, kad maždaug 8% asteroidų, atrodo, yra gerokai šviesesni, nei galima spręsti remiantis žiniomis apie Žemėje aptiktus meteoritus. Įprastai asteroidai, kaip ir meteoritai, atspindi vos keletą-keliolika procentų spinduliuotės, o tie ryškieji asteroidai – net po daugiau nei 50%. Fizikinio paaiškinimo, kodėl jie gali būti tokie šviesūs, kol kas nėra, kaip nėra ir paaiškinimo, kodėl nerandame tokių šviesių meteoritų. Tiesa, gali būti, kad gautieji rezultatai tėra tik neteisingo duomenų apdorojimo pasekmė: asteroidai yra netaisyklingos formos, todėl sukantis jų šviesis bei atspindėtos Saulės šviesos dalis nuolat kinta. Praeitą savaitę paskelbtame tyrime parodyta, kad neteisingas šių pokyčių įvertinimas gali nulemti asteroido dydžio nuvertinimą ir albedo pervertinimą. Tačiau kol kas negalime atmesti ir realiai didelio albedo hipotezės. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Kometų paieškos iš pasalų. Į vidinę Saulės sistemos dalį kartais atlekia kometos iš jos pakraščių. Neretai joms tai būna pirmas vizitas taip arti Saulės, taigi jos yra praktiškai nepakitusios nuo Saulės sistemos susiformavimo laikų. Ištirti tokią kometą iš arti būtų labai naudinga, tačiau paruošti misiją per tuos metus ar mažiau, kiek kometa praleidžia arti Saulės, yra neįmanoma. Taigi Europos kosmoso agentūra (ESA) praeitą savaitę paskelbtė apie kitokio pobūdžio misiją. Comet Interceptor, į kosmosą išskrisiantis 2028 metais, lauks atskrendančių kometų jau pasiruošęs jas sutikti. Jis skries aplink Saulę Žemės-Saulės sistemos L2 taške, pusantro milijono kilometrų atstumu nuo Žemės. Tame taške erdvėlaivis išliks vienodu atstumu nuo Žemės, išnaudodamas labai mažai kuro, taigi galės ilgai laukti patogios kometos. Aptikus tokį objektą, erdvėlaiviui bus nesunku nuskristi iki jo ir tyrinėti iš arti. Numatoma, kad Comet Interceptor sudarys trys zondai, kurie išsiskirs priartėję prie kometos ir iš įvairių pusių tirs jos branduolį, dujų apvalakalą bei uodegą. Beje, kometos – ne vienintelis galimas zondo taikinys: tokia misija puikiai tiktų ir tarpžvaigždinio objekto, panašaus į ‘Oumuamua, tyrimui. 2017 metų pabaigoje aptiktas ‘Oumuamua pro vidinę Saulės sistemos dalį pralėkė per kelias savaites; Comet Interceptor misija tokį objektą galėtų pasivyti ir sužinoti daug daugiau apie jo savybes ir kilmę, nei įmanoma padaryti vien stebėjimais ir Žemės.

***

Marso metano apykaitos ratas. Marso atmosferoje yra šiek tiek metano. Labai nedaug – mažiau nei viena iš milijardo molekulių. Tačiau bent porą kartų marsaeigis Curiosity aptiko trumpalaikius metano gausos šuolius. Kaip paaiškinti, kodėl šios molekulės ilgai neišlieka Raudonosios planetos atmosferoje? Įprastinis mechanizmas, naikinantis metaną Žemėje, yra fotocheminė degradacija: veikiama Saulės šviesos, molekulė formuoja įvairius kitus junginius, tokius kaip anglies dvideginį, formaldehidą ar metanolį. Tačiau šioms reakcijoms reikia ir deguonies, kurio Marse praktiškai nėra. Dabar, remiantis laboratoriniais eksperimentais, pasiūlytas galimas paaiškinimas. Jis remiasi tuo, kad Marse yra šiek tiek inertinių dujų argono. Vėjo gūsiai, sukeliantys paviršinių dulkių ir žvyro srautus, sukelia dalelių susidūrimus, kurių metu argonas gali būti jonizuojamas – būtent tai nustatyta laboratorijoje, vėjo tunelyje patalpinus įvairias uolienas, atitinkančias Marso paviršiaus sudėtį. Jonizuoto argono išlaisvinti elektronai yra pakankamai energingi, kad metano molekules ir jonizuotų, ir disocijuotų, t.y. suskaidytų į smulkesnes. Visi šių reakcijų produktai labai sparčiai reaguoja su kitais atomais ir molekulėmis bei nusėda Marso paviršiuje kaip įvairios dulkės. Tyrime pristatytas modelis duoda vieną aiškią prognozę – tose Marso vietose, kur pučia stiprus vėjas, turėtų būti matomas švytėjimas, sukeliamas jonizuoto argono. Aptikti tokį švytėjimą turėtų būti įmanoma net ir su šiandieniniais Marsą tiriančiais zondais. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Vestos kilmė. Vesta – antras didžiausias Asteroidų žiedo kūnas – yra išsisluoksniavusi į plutą, mantiją ir branduolį, panašiai kaip ir planetos. Dawn zondas, tyrinėjęs ją 2011-2012 metais, nustatė, kad pietiniame asteroido pusrutulyje pluta yra daug storesnė, nei šiauriniame, o ties pietų ašigaliu aptiko didelį kalnagūbrį. Naujame tyrime pateikiamas galimas šių savybių paaiškinimas. Modelis remiasi labai tiksliu meteoritų, vadinamų mezosideritais, datavimu. Mezosideritų cheminė sudėtis labai neįprasta: juose yra ir kažkada išsilydžiusių uolienų, ir geležies; jie greičiausiai atskilo nuo išsisluoksniavusio objekto, didelio smūgio metu. Vesta yra mažiausias žinomas išsisluoksniavęs kūnas, taigi didžioji dalis mezosideritų greičiausiai kažkada buvo Vestos dalis. Deja, tokių meteoritų žinoma labai nedaug, taigi datuoti juos įprastais metodais yra sudėtinga. Naujajame tyrime mokslininkai sukūrė būdą, kaip iš mezosideritų išskirti mineralo cirkono grūdelius, kurie naudojami datavimui. Taip surinkę pakankamai mėginių, jie nustatė, kad mezosideritų formavimosi aplinkoje prieš 4558,5 milijono metų vyko plutos formavimasis, o prieš 4525,4 milijono metų – spartus metalų ir silikatinių uolienų maišymasis. Taigi kad ir iš kokio didelio kūno jie atskilo, tame kūne iš pradžių susiformavo pluta, o 33 milijonais metų vėliau įvyko didelis smūgis, kurio metu dalis plutos išsilydė ir susimaišė su branduolio medžiaga. Toks scenarijus paaiškina ir Vestos savybes: stora pluta ir gūbrys ties pietų ašigaliu žymi smūgio vietą. Be to, Vestos plutoje nerandama mineralų olivinų, kurie galėjo išsilydyti smūgiui įkaitinus asteroidą. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

***

Subneptūniškos planetos atmosfera. Saulės sistemoje nėra planetų, didesnių už Žemę, bet mažesnių už Neptūną. Egzoplanetų atradimai rodo, kad tokios planetos, priklausomai nuo dydžio bei struktūrs vadinamos superžemėmis ir subneptūnais, yra labai dažnos, tačiau neturint analogų Saulės sistemoje, sunku tyrinėti jų savybes ir formavimosi istoriją, kaip ir priežastis, nulemiančias planetų atmosferos storį. Neptūno atmosfera sudaro apie 10-20% planetos masės, o Žemės – tik vieną milijoninę planetos masės dalį. Dabar pristatyti nauji subneptūninės planetos GJ 3470b atmosferos stebėjimų duomenys. Ši atmosfera pasirodė esanti labai keista: panašiai kaip Neptūno ir Urano, ji sudaryta daugiausiai iš vandenilio ir helio, tačiau, priešingai nei mūsų Saulės sistemos planetose, joje praktiškai nėra deguonies ir anglies, todėl joje nesiformuoja metano molekulės, kurių Neptūne ir Urane gausu. GJ 3470 b masė yra 12,6 Žemės masės, tad būtų natūralu tikėtis joje rasti santykinai daugiau sunkių cheminių elementų, nei Neptūne, nes lengviesiems elementams lengviau pabėgti iš mažesnės planetos gravitacinio lauko. Visgi šiuo atveju taip nenutiko – planetos atmosferos sudėtis beveik tiksliai atitinka žvaigždės cheminę sudėtį. Tyrėjai pateikė vieną galimą paaiškinimą: planeta yra labai arti savo žvaigždės, ir gali būti, kad ji ten ir formavosi (o ne atmigravo artyn jau užaugusi iki pilnos masės). Pradžioje planeta buvo uolinė, bet užaugusi iki pakankamai didelės masės, galėjo išlaikyti aplink esančias protoplanetinio disko dujas ir ėmė sparčiai auginti atmosferą. Jei planeta būtų augusi toli nuo žvaigždės, atmosferos augimas galėjo tęstis, kol ji užaugtų iki masyvesnės už Neptūną, tačiau GJ 3470 b atveju augimą sutabdė žvaigždė, išgarinusi protoplanetinį diską. Planetos gravitacija buvo pakankamai stipri, kad išlaikytų lengvas vandenilio ir helio dujas, todėl sunkesnių elementų joje yra santykinai mažai. Patikrinti šią hipotezę padės didesnio skaičiaus panašių planetų stebėjimai, kuriuos ypač efektyviai galima bus atlikti su James Webb kosminiu teleskopu. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Aptikti energingiausi gama spinduliai. Kai kurie energingi procesai Visatoje, pavyzdžiui supernovų sprogimai ar besisukančių neutroninių žvaigždžių magnetinio lauko sąveika su aplinkine medžiaga, sukuria ypatingai aukštos energijos daleles ar fotonus. Jų energija matuojama trilijonais elektronvoltų ir daugiau; palyginimui, protono ir neutrono masės atitinka šiek tiek mažiau nei milijardo elektronvoltų energijas. Tokios dalelės, lekiančios iš susiformavimo vietų, kartais pasiekia ir Žemę ir yra aptinkamos, o atradimai padeda geriau suprasti, kaip vyksta šie energingieji procesai. Dabar paskelbta apie net 24 rekordinės energijos gama spindulių aptikimą. Bendras Kinijos-Japonijos detektorius Tibet Asgamma užfiksavo fotonus, kurių kiekvieno energija viršija 100 teraelektronvoltų (TeV); ankstesnis rekordas buvo 75 TeV. Naujas fotono energijos rekordas – net 450 TeV. Visi fotonai atsklido iš Krabo ūko – supernovos liekanos, atsiradusios 1054 metais įvykusio sprogimo metu. Tyrėjai teigia, kad gama spinduliai susiformuoja dviejų etapų procesu: supernovos liekanoje per kelis šimtus metų elektronai įgreitinami iki tūkstančių TeV energijos, o vėliau jie, savo ruožtu, sąveikauja su kosminės foninės spinduliuotės fotonais ir juos įgreitina iki šimtų TeV. Taigi panašu, kad Krabo ūkas yra efektyviausias dalelių greitintuvas žinomoje Visatoje. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Keistai pritemstanti dvinarė žvaigždė. Daugybė egzoplanetų aptiktos tranzitų metodu – matuojant nedidelius žvaigždės pritemimus, planetai praskrendant tarp jos ir mūsų. Tokie stebėjimai taip pat leidžia išmatuoti planetos metų trukmę, nes tranzitas įvyksta vieną kartą per planetos orbitą. Bet praeitą savaitę paskelbta vienos dvinarės žvaigždės stebėjimų analizė atskleidė daugybę tranzitų, kurie vyksta visiškai neperiodiškai. 2017 metų pabaigoje atliktų 87 paras trukusių stebėjimų metu sistema HD139139 pritemo 28 kartus, taigi vidutiniškai kas tris dienas. Visi pritemimai, išskyrus du, buvo beveik visiškai vienodi – žvaigždės šviesis sumažėjo 0,02%. Toks pritemimas būtų gana tipiškas planetos tranzito signalas, jei ne visiškai atsitiktiniai pritemimų laikai. Ne daugiau nei keturi pritemimai hali būti vienos periodinės sekos elementai. Kas galėtų sukelti tokį keistą žvaigždės šviesio kitimą, kol kas neaišku. Tyrėjai išnagrinėjo ir atmetė įvairių planetų ar dulkių debesų tranzitų, dvinarės žvaigždės judėjimo sukeliamų anomalijų ir žvaigždžių dėmių hipotezes. Vienintelė idėja, kurios nepavyko visiškai atmesti, yra naujas neperiodiškas žvaigždės šviesio kitimo mechanizmas. Net ir toks paaiškinimas yra labai spekuliatyvus, o jam patikrinti reikėtų ir detalesnių šios sistemos stebėjimų, ir geresnio supratimo apie žvaigždžių struktūrą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Spiralinės vijos maitina galaktikas. Yra du būdai, kaip tarpgalaktinės dujos patenka į galaktikas, kur iš jų formuojasi naujos žvaigždės: karštoji tėkmė ir šaltoji tėkmė. Karštoji tėkmė atsiranda tada, kai dujos į galaktiką krenta plačiu srautu, susiduria su galaktikoje esančiomis dujomis, įkaista iki labai aukštos temperatūros ir tada po truputį vėsdamos nusėda galaktikos gelmėse. Šaltoji tėkmė yra siauras tankus dujų srautas, kuris į galaktiką įkrenta sparčiai ir beveik nesąveikaudamas su galaktikoje esančiomis karštomis dujomis. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad abi tėkmės turėtų egzistuoti, bet iki šiol stebėjimais patvirtinta tik karštoji. Dabar pristatyti nauji labai detalūs vieną tolimą galaktiką supančių dujų stebėjimų duomenys, rodantys, kad ten tikrai egzistuoja šaltoji tėkmė, ir kad ji yra spiralinė. Aplink galaktiką esančias dujas analizuoti leido dar toliau esantys kvazarai, kurių šviesa, sklisdama per dujas, buvo sugerta ir leido nustatyti dujų judėjimo greitį. Paaiškėjo, kad dujos juda spiraliniu srautu ir artėja prie telkinio centre esančios galaktikos. Apskaičiuota dujų kritimo į galaktiką sparta yra užtektina, kad pamaitintų galaktikoje vykstančią žvaigždėdarą. Taip pat toks dujų kritimas įsuka galaktiką ir paaiškina jos sukimosi greitį. Šis atradimas padės patikslinti Visatos struktūrų formavimosi ir galaktikų evoliucijos modelius – juose įprastai randamos tiesios šaltosios tėkmės. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Neseniai aptikti keli kvazarai, tik pradedantys stabdyti žvaigždėdarą savo galaktikose. Apie juos rašiau prieš kelias savaites Kąsnelyje, o dabar siūlau susipažinti plačiau savaitės filmuke iš Event Horizon:

***

Juodųjų skylių sukimosi greitis. Juodosios skylės sukasi aplink savo ašį. Kai kurios – tik vos vos, kitos – taip sparčiai, kad įvykių horizontas juda beveik šviesos greičiu, o aplinkinė erdvė taip pat ima suktis. Jei aplink juodąją skylę yra akrecinis diskas, jo vidinio krašto padėtis bei judėjimo greitis taip pat priklauso nuo juodsios skylės sukimosi. Išmatavę šiuos dydžius, galime įvertinti ir sukimosi spartą. Dabar tai padaryta penkiems tolimiems kvazarams – centrinėms galaktikų juodosioms skylėms, į kurias labai sparčiai krenta medžiaga. Šie objektai tyrimui parinkti todėl, kad jų šviesą gravitaciškai lęšiuoja artimesnės galaktikos, taigi kiekvieno jų matome po kelis ryškesnius atvaizdus. Tyrėjai taip pat nustatė, kad lęšiuojančioje galaktikoje pavienės žvaigždės sustiprina lęšio efektą ir taip sufokusuoja rentgeno spinduliuotę iš labai mažo regiono aplink centrinį masyvų objektą. Tai leido apskaičiuoti juodųjų skylių sukimosi spartą – viename kvazare ji pasirodė esanti apie 92% maksimalios įmanomos vertės, kituose keturiuose – apie 75-95%. Šios gana didelės vertės yra panašios į kitas žinomas juodųjų skylių sukimosi vertes. Manoma, kad juodąsias skyles taip sparčiai įsuka nuolatos tokia pačia kryptimi besisukantys akreciniai diskai. Iš kitos pusės, aptikti lėtai besisukančią juodąją skylę yra daug sunkiau, nes jos aplinkoje esanti medžiaga spinduliuoja daug blausiau. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Supermasyvių juodųjų skylių formavimasis. Pirmosios juodosios skylės Visatoje atsirado praėjus maždaug 200 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Bet jau 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo buvo juodųjų skylių, kurių masė siekė milijardą Saulės masių ar daugiau. Kaip jos užaugo tokios masyvios? Jei jos susiformavo iš žvaigždžių, padidinti masę 10 milijonų kartų arba daugiau būtų beveik neįmanoma. Vienas galimas kilmės paaiškinimas – kurį laiką Visatoje buvo tinkamos sąlygos labai masyvioms juodosioms skylėms formuotis tiesiai iš dujų sankaupų. Šio proceso neriboja efektai, stabdantys juodųjų skylių masės augimą, joms jau susiformavus, taigi juodosios skylės galėtų iškart susidaryti 100 tūkstančių ar milijono Saulės masių, o tada jau joms pakaktų laiko užaugti iki milijardo. Ši tiesioginio kolapso hipotezė iškelta prieš daugiau nei dešimtmetį, o dabar pristatytas detaliausias tyrimas, kuriame nagrinėjama, kaip turėtų pasiskirstyti šiuo būdu susiformavusių juodųjų skylių masės. Sukurtas matematinis modelis susideda iš dviejų dalių: juodųjų skylių formavimosi iš dujų telkinių ir jau susiformavusių juodųjų skylių spartaus augimo, ryjant aplinkinius dujų telkinius. Laikui bėgant, abu procesai sustoja, nes Visatoje besiformuojančios žvaigždės įkaitina dujas ir panaikina tiesioginiam kolapsui tinkamas sąlygas. Gauta masės priklausomybė gana gerai atitinka naujausius ankstyvų supermasyvių juodųjų skylių stebėjimų duomenis; tiesa, rezultatai priklauso nuo keleto modelio parametrų. Pagal šį modelį, juodosios skylės tik susiformavusios buvo apie 100 tūkstančių kartų masyvesnės už Saulę. Jų formavimosi periodas truko apie 150 milijonų metų – pakankamai trumpai, kad jų neatsirastų pernelyg daug. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

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

Laiqualasse

7 comments

  1. Norėjau paklausti apie tarpgalaktines dujas. Kaip pvz. šiame kąsnelyje skiltis apie karštas dujas, maitinančias galaktikas. Kaip suprantu, bet kokiu atveju jos yra labai labai retos. O tada terminas „karštos dujos“ realiai reiškia karštį ar tiesiog jos tokios retos, kad sakykim kažkokiu būdu įstačius termometrą vistiek būtų apie absoliutų nulį. Ar dar kitaip tariant „karštis“ reiškia labai greitai judančias daleles tose dulkelėse, o realiai dėl retumo, sakykim ranka jaustum šaltį, jei galima taip išsireikšt :)

    1. Del retumo nieko nejaustai, nei karscio nei salcio, nes nera kam tavo rankos temperatura perduot. Jei kokia paviene dalele ir sugebetu pataikyti i ranka tai nepajaustai

    2. Taip, tarpžvaigždinės, o tuo labiau tarpgalaktinės, dujos yra labai retos, daug retesnės už geriausią laboratorinį vakuumą.

      „Karštos dujos“ šiuo atveju reiškia aukštą jų temperatūrą, t.y. didelį pavienių dalelių (šiuo atveju – jonų/elektronų) greitį. Buitiniu termometru tokios temperatūros išmatuoti nepavyks – termometras nepasieks normalios šiluminės pusiausvyros, bet kokios pataikančios dalelės jam perduodama energija bus išspinduliuojama greičiau, nei pataikys kita dalelė. Ranka irgi jaustų šaltį, nes, vėlgi, dalelių smūgiai būtų pernelyg reti, kad sukurtų šiluminę pusiausvyrą su mūsų kūnais.

      Tiesa, dulkių tarpgalaktinėse dujose praktiškai nėra – ir dėl karščio (kuris pakankamas dulkėms išgarinti), ir dėl metalingumo (labai mažai anglies ir silicio -> nėra iš ko formuotis dulkelėms).

  2. Sveiki,
    Jei visatai apie 13 milijardu metu, kaip gali buti, kad kvazaru sviesa sklinda link musu is visu pusiu is uz 13 milijardu metu? Vadinasi minimum 26.
    Ir tai labai maza tikimybe, kad mes vidury visatos.
    Jei sakysit, kad pleciasi erdvelaikis, tai tada priestarauja Einsteino teorijoms, kai 2 kunai vienas nuo kito tolsta didesniu nei sviesos greiciu.
    Tokia samprata kazkiek primena senoves supratima apie plokscia zeme.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *