Kąsnelis Visatos CCCXCIII: Formos

Dažnai tolimus kosminius objektus matome tik kaip taškus, o jų formas suprasti galime tik kurdami ir tikrindami modelius. Tiesa, ne visada: kartais įdomių formų randame ir, pavyzdžiui, meteorituose, o jų atsiradimą galime patikrinti laboratoriniais eksperimentais. Jei struktūra labai didelė, pavyzdžiui Paukščių Takas, jos formą galime nagrinėti tyrinėdami sudedamąsias dalis. Bet jei kalbame apie egzoplanetos ar gama spindulių žybsnio formą, belieka kliautis stebėjimų interpretacija ir skaičiavimais – apie tokius rezultatus Kąsnelyje rasite keletą naujienų. Taip pat rasite šio to apie Mėnulio amžiaus klausimą, radijo žybsnių paiešką ir kitka. Gero skaitymo!

***

Kūgiais virstantys meteoroidai. Į Žemę nuolatos krenta įvairaus dydžio objektai iš kosmoso, nuo mažyčių dulkelių iki kataklizmus sukelti galinčių asteroidų. Įdomu, kad net ketvirtis Žemės paviršių pasiekiančių kosminių objektų yra kūgio formos, ir ne bet kokios, o su gana panašiais kampais ties viršūne. Jau seniai iškelta hipotezė, kad meteoroidai tokią formą įgyja sąveikaudami su atmosfera, o davar laboratoriniais tyrimais nustatyta, kad tik stebimas kampų vertes turintys kūgiai per atmosferą juda išlaikydami nekintančią kryptį. Tyrimams pasirinkti moliniai mėginiai, judantys vandenyje – jų elgesys gerai atitinka meteoroido judėjimą atmosferoje. Patalpinus mėginius įvairiose srovėse paaiškėjo, kad labai ploni kūgiai, panašūs į adatas, neišlaiko judėjimo krypties ir ima chaotiškai vartytis, o labai platūs kūgiai pradeda visaip virpėti. Taigi nei platūs, nei siauri kūginiai meteoroidai Žemės atmosferoje neišsilaiko – jie arba subyra, arba yra performuojami į netvarkingas formas. Tuo tarpu meteoroidas, kurį atmosferos sukeltas kaitinimas bei erozija pradeda versti tinkamos formos kūgiu, išlaiko stabilią orientaciją ir krenta smaigaliu į priekį. Eksperimentų rezultatus patvirtina ir teoriniai skaičiavimai, rodantys, kad „netinkamą“ kampą turintys kūgiai, sąveikaudami su skysčio ar dujų srautu, tampa nestabilūs. Tyrimo rezultatai publikuojami PNAS.

***

Mėnulio amžius. Mėnulio amžius yra tik truputį mažesnis, nei Žemės, nes smūgis, sukūręs mūsų palydovą, įvyko pačioje planetos jaunystėje. Tačiau tiksliai nustatyti smūgio laiką yra gana sudėtinga – štai praeitą savaitę paskelbtame straipsnyje pateikta hipotezė, pasendinanti Mėnulį šimtu milijonų metų. Įprastai teigiama, kad Mėnulis susiformavo maždaug 150 milijonų metų po Žemės, nors skirtingi vertinimai duoda rezultatus nuo 30 iki 200 milijonų metų. Naujajame tyrime nagrinėjamas dviejų gana retų cheminių elementų, hafnio ir volframo, santykinis kiekis įvairiuose Mėnulio bei Žemės uolienų mėginiuose. Hafnis turi vieną izotopą – atmainą su skirtingu neutronų skaičiumi branduolyje, – kuris laikui bėgant skyla į volframą. Tačiau šis hafnio izotopas galėjo egzistuoti tik maždaug 70 milijonų metų po Saulės sistemos susiformavimo – per tiek laiko jis visas pavirto volframu, o Saulės sistemoje nevyksta procesai, galintys jo sukurti daugiau. Skirtinguose mėginiuose atrasti skirtingi hafnio ir volframo gausų santykiai. Tai reiškia, kad kai kurie mėginiai yra tokie seni, kad jie sukietėjo anksčiau, nei baigėsi hafnio virtimas volframu. Iš skystų uolienų volframas gali pabėgti, o iš sukietėjusių – nebe, todėl uolienai sukietėjus volframo ir hafnio santykis joje gali tik augti. Šitaip įvertinta, kad Mėnulio amžius turėtų būti mažiau nei 70 milijonų, o greičiausiai – apie 50 milijonų metų. Tiesa, tai nėra vienintelė galima interpretacija: didesnę volframo gausą galėjo nulemti ir skirtingi asteroidų smūgių kiekiai į jauną Žemę bei Mėnulį, kas reikštų, jog Mėnulis kaip tik yra jaunesnis. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

***

Kinijos zondas Chang’e-4 nuskrido į Mėnulio pietų ašigalio apylinkes. Ten pat keliauti ketina ir NASA Artemis programos astronautai. Kodėl? Atsakymas paprastas – vanduo. Būtent ten greičiausiai yra didžiausi vandens telkiniai visame Mėnulyje, taigi norėdami geriau suprasti, kaip vanduo ten pasiskirstęs ir kaip jį galima išgauti, turime keliauti į pietų ašigalį. Plačiau apie tai – savaitės filmuke iš Universe Today:

***

Asteroidų kasinėjimas bakterijomis. Prieš maždaug septynerius metus net dvi kompanijos beveik vienu metu paskelbė apie planus kasinėti asteroidus. Šie planai kol kas realybe netapo, o progresas yra gerokai lėtesnis, nei teigė pirmosios prognozės. Viena iš daugybės kliūčių, trukdančių pasiekti šį tikslą, yra techninė: asteroidų kasinėjimui reikia kitokios įrangos, nei naudingųjų iškasenų išgavimui Žemėje. Paprasčiausias pneumatinis kūjis, atsimušęs į asteroidą, atšoks ir nuskris į kosmosą; įsirausti juo į uolieną nepavyks. Dabar pasiūlytas radikaliai kitoks būdas kasinėjimui – bakterijos. Šiuo metu Žemėje bakterijos jau kartais naudojamos vario ir aukso išgavimui: uolienos, turinčios šių metalų, dedamos į vonias su vandeniu ir specializuotomis bakterijomis, kurios atskiria metalus nuo kitų medžiagų. Grupė mokslininkų teigia, kad toks būdas būtų pritaikomas ir kosmose: bakterijos leistų sumažinti ir chemikalų, ir fizinio uolienų skaldymo poreikį. Aišku, jas vis tiek reikėtų atskirti nuo asteroido, bet turint omeny, kad kai kurie asteroidai yra tik silpnai besilaikančios tarpusavyje nuolaužų krūvos, atskyrimas gali būti palyginus nesudėtingas. Šiai hipotezei patikrinti mokslininkai neseniai gavo finansavimą, ir dabar nagrinės, kaip bakterijos gali išgauti geležį iš Mėnulio, Marso ir asteroidų regolito atitikmenų mikrogravitacijos sąlygomis. Tuo tarpu kita tyrėjų grupė praeitą savaitę į Tarptautinę kosminę stotį jau išsiuntė 18 biokasybos reaktorių – indų su įvairiomis bakterijomis, kurios galėtų pasitarnauti naudingų medžiagų išgavimui. Kosmose į šiuos reaktorius bus dedamos bazalto uolienos, primenančios Mėnulio ir Marso paviršių, ir tikrinama, kaip bakterijos su jomis sąveikauja. Kartu bus tikrinama, kaip mikrogravitacijos sąlygomis auga bioplėvelės – mikrobų sluoksniai ant įvairių paviršių. Eksperimentas truks tris savaites, vėliau mėginiai bus grąžinti į Žemę ir tiriami čia. Tokie bandymai, net jei nebus panaudoti kosmose, gali padėti patobulinti biokasybos metodus Žemėje, o tai padėtų naudingųjų iškasenų išgavimą padaryti efektyvesnį ir ekologiškesnį.

***

Vieneri TESS metai. Naujausiais NASA egzoplanetų paieškos prietaisas, kosminis teleskopas TESS, praeitą savaitę minėjo vienerių metų darbo sukaktį. Priešingai nei Kepleris, kuris labai ilgai stebėjo vieną nedidelį dangaus lopinėlį, TESS keičia stebimą dangaus plotą kas 27 dienas. Taip jis laikui bėgant aprėpia didžiąją dalį dangaus skliauto, bet negali aptikti ilgo periodo planetų, išskyrus prie dangaus ašigalių, kurie stebimi nuolatos. Pirmuosius metus stebėjimai vykdyti pietiniame danguje; per juos aptikta daugiau nei 850 egzoplanetų-kandidačių, iš kurių patvirtinta kol kas tik 21. Daugybė kitų dar laukia patvirtinimo antžeminių teleskopų stebėjimais. Taip pat teleskopas aptiko kometų ir net egzokometų, įvairių supernovų bei kintančiųjų žvaigždžių. Šie rezultatai gerokai pranoksta net optimistiškiausias prognozes. Dabar antriesiems metams TESS atsisuko į šiaurinį dangaus pusrutulį. Tretiesiems metams jis grįš į pietus ir taip kasmet keis stebėjimų kryptį.

Vienas neseniai paskelbtas TESS atradimas yra puikus teleskopo galimybių pavyzdys. 22,5 parsekų atstumu nutolusios mažos žvaigždės sistemoje aptiktos trys planetos, kurių dydis yra tarp Žemės ir Neptūno dydžių. Viena planeta beveik neabejotinai yra uolinė superžemė, ketvirčiu didesnė už Žemę, o kitos dvi – lediniai ar dujiniai sub-neptūnai, kiek daugiau nei du kartus viršijantys Žemės spindulį. Visos trys planetos skrieja arti žvaigždės ir yra karštos; įvertinus dydį ir atstumą nuo žvaigždės, jos patenka į gana retą egzoplanetų grupę, taigi tolesni šios sistemos tyrimai bus labai naudingi geresniam tokių retų planetų charakterizavimui. O pati žvaigždė yra puikus taikinys tolesniems stebėjimams: ji labai rami, palyginus ryški ir artima, o planetų orbitos beveik rezonuoja tarpusavyje, taigi sistemą detaliai tyrinėti turėtų būti palyginus nesudėtinga. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Garuojanti metalinga planeta. Kitas derlingas planetų medžiojimo projektas yra WASP, arba Wide-Angle Search for Planets, naudojantis teleskopus Kanaruose ir Pietų Afrikos respublikoje. Jo metu atrasta daugiau nei šimtas įvairių planetų, o viena iš jų neseniai pasirodė turinti gana netikėtas savybes ir formą. Hablo teleskopu atlikti planetos WASP-121b stebėjimai parodė, kad ši planeta garuoja taip smarkiai, jog išsitempia į pailgą formą. WASP-121b yra šiek tiek už Jupiterį masyvesnė ir 80% didesnio spindulio planeta, besisukanti aplink savo žvaigždę 30 valandų trukmės orbita. Stebėjimais išmatuotas žvaigždės spektro pokytis, planetai tranzituojant per jos diską. Tai leido nustatyti planetos atmosferos sandarą ir dydį. Paaiškėjo, kad magnio ir geležies jonai pakyla maždaug 25-30% atstumo tarp planetos ir žvaigždės, arba 7-9 kartus daugiau, nei planetos spindulys. Tokiu atstumu esančios dujos nebėra gravitaciškai susietos su planeta ir ima skrieti aplink žvaigždę. Kitaip tariant, planeta intensyviai garuoja. Tai pirmas kartas, kai aptikti iš planetos garuojantys gana sunkių cheminių elementų jonai; anksčiau būdavo aptinkamas vandenilis ar kiti lengvi elementai. Vandenilis ir helis, sudarantys pagrindinę planetos masės dalį, taip pat garuoja labai sparčiai ir greičiausiai suformuoja dvi uodegas aplink planetą – vieną nukreiptą žvaigždės link, kitą tolyn nuo jos. Taigi planeta iš apvalios tampa ištempta, panašesnė į regbio kamuolį. Netolimoje ateityje James Webb kosminiu teleskopu planetos evoliuciją bus įmanoma tyrinėti daug detaliau, taip ieškant atsakymų į klausimus apie planetų evoliuciją tokiomis ekstremaliomis sąlygomis. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Naujo tipo pulsuojančios žvaigždės. Beveik visų žvaigždžių šviesis nuolatos kinta. Daugumos žvaigždžių pokyčiai yra nedideli – pavyzdžiui, Saulės šviesio variacijos nesiekia dešimtadalio procento ir aptiktos tik prieš keturis dešimtmečius. Tačiau kai kurių žvaigždžių šviesis gali kisti reikšmingai – po kelis procentus per kelias dienas ar daugiau. Tokios žvaigždės vadinamos kintančiosiomis; jų žinome keletą tipų, kurie byloja apie skirtingas žvaigždžių savybes ar kintamumą sukeliančius fizikinius mechanizmus. Vienas iš mechanizmų yra radialinės pulsacijos – periodiškas žvaigždės spindulio kitimas. Dabar atrasta nauja radialiai pulsuojančių žvaigždžių rūšis, kurių šviesis kinta vos kelių minučių intervalais. Atradimas padarytas netikėtai, ieškant labai glaudžių dvinarių žvaigždžių, kurių orbitų periodai nesiekia valandos. Duomenyse aptiktos kelios periodiškai šviesį keičiančios žvaigždės, tačiau tolesnė analizė parodė, kad jų šviesis kinta ne dėl kokių nors su dvinariškumu susiejamų efektų. Atlikus daugiau stebėjimų paaiškėjo, kad žvaigždės pulsuoja radialiai – reguliariai kinta jų temperatūra ir gravitacinio lauko stiprumas paviršiuje, taip pat reguliariai kinta radialinis greitis (žvaigždei traukiantis, jos paviršius tolsta nuo mūsų, plečiantis – artėja). Visos šios žvaigždės yra 2-5 kartus mažesnės masės, nei Saulė. Žvaigždžių evoliucijos modeliai rodo, kad tokios žvaigždės gali susiformuoti, jei gyvenimo pabaigoje maždaug Saulės masės žvaigždė, tapusi raudonąja milžine, netenka išorinių sluoksnių dėl sąveikų su kompanione. Iki šiol buvo manoma, kad tokios žvaigždės turėtų būti stabilios, bet tyrėjai nustatė, kad modeliai gali paaiškinti ir kintamumą. Šis atradimas padės patobulinti žvaigždžių, ypač tokių neįprastai sąveikaujančių su aplinka atvejų, modelius. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Seniausiųjų žvaigždžių požymiai. Pirmosios žvaigždės Visatoje buvo sudarytos praktiškai vien iš vandenilio ir helio, su labai nežymia ličio priemaiša. Jose susiformavo pirmi sunkesni elementai, kurie pasklido po tarpžvaigždinę terpę įvykus pirmiesiems supernovų sprogimams. Šiuo metu pirmosios kartos žvaigždžių greičiausiai visai nebėra, taigi apie jas kažką pasakyti galime tik remdamiesi netiesioginiais įrodymais. Vienas toks rezultatas neseniai gautas tyrinėjant kiek vėliau susiformavusią, bet vis tiek labai seną žvaigždę. Pastaroji yra raudonoji milžinė, taigi jau baigianti gyvenimą žvaigždė. Geležies joje yra pusantro milijono kartų mažiau nei Saulėje – tai yra mažiausias geležies kiekis, kada nors išmatuotas žvaigždėje. Daugumos alfa-elementų, susiformuojančių helio branduoliams jungiantis į vis masyvesnius junginius, žvaigždė taip pat turi panašiai mažai, kaip ir geležies. Bet štai anglies joje yra palyginus daug – tik 200 kartų mažiau, nei mūsų žvaigždėje. Šie skirtingų elementų gausos duomenys rodo sąlygas medžiagoje, iš kurios žvaigždė formavosi, o ta medžiaga buvo praturtinta pirmųjų žvaigždžių supernovų sprogimais. Teoriniai modeliai parodė, kad tokį praturtinimą, koks yra stebimas, galėjo sukurti tik palyginus mažos masės, apie dešimt kartų už Saulę masyvesnė, sprogstanti žvaigždė. Tuo tarpu masyvesnė nei 20 Saulės masių žvaigždė po sprogimo aplink save paliktų santykinai žymiai mažiau anglies ir daugiau už geležį sunkesnių elementų, nei jų randama stebimojoje žvaigždėje. Šis atradimas įdomus tuo, kad nelabai atitinka įprastų spėjimų apie pirmąsias žvaigždes – manoma, kad jos turėjo būti labai masyvios, gal net šimtus kartų masyvesnės už Saulę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Trimatis Paukščių Tako modelis. Kai kurių kintančiųjų žvaigždžių pulsavimo periodas yra glaudžiai susijęs su jų šviesumu. Viena tokia žvaigždžių rūšis, Cefėidės, yra naudojama kosminių atstumų matavimui, nes išmatavę kitimo periodą galime tiksliai nustatyti šviesį, o palyginę jį su regimuoju šviesumu – atstumą iki žvaigždės. Dabar jos panaudotos Paukščių Tako formai ištirti. Mūsų Galaktikos formą tirti labai sudėtinga, nes, būdami jos viduje, negalime į Galaktiką pasižiūrėti iš šalies. Bet matuodami atstumus iki kelių tūkstančių Cefėidžių, mokslininkai įveikė šią kliūtį ir sudarė kol kas tiksliausią trimatį Paukščių Tako struktūros modelį. Iš jo paaiškėja, kad Galaktikos diskas tikrai yra lenktas – jo pakraščiuose žvaigždės juda orbitomis, pasvirusiomis į arčiau centro esančių žvaigždžių orbitų plokštumą. Toks išsilenkimas buvo aptiktas jau seniau, bet šiame tyrime jis pirmą kartą identifikuojamas taip tiksliai, naudojant pavienius objektus. Be to, Cefėidžių amžius taip pat koreliuoja su pulsavimo periodu, taigi tyrėjai nustatė ir žvaigždžių amžius: paaiškėjo, kad jauniausios Cefėidės yra arčiau Galaktikos centro, o seniausios – pakraščiuose. Taigi mūsų Galaktika per pastaruosius 250 milijonų metų greičiausiai išgyveno žvaigždžių formavimosi epizodus, judančius nuo pakraščių centro link. Tokią žvaigždėdaros istoriją bei disko sulinkimą galima paaiškinti sąveika su palydovine galaktika. Ji, praskridusi arti disko, ištampė jo žvaigždes ir sukėlė bangą dujose, o pastaroji, savo ruožtu, sustiprino žvaigždėdarą. Tyrimo rezultatai publikuojami Science (arXiv versija).

***


Iš šono matoma spiralinė galaktika NGC 3432. Šaltinis: ESA/Hubble & NASA, A. Filippenko, R. Jansen

Savaitės paveiksliuke matoma galaktika į mus pasisukusi šonu. Gana akivaizdu, kad ji yra diskinė, o ne elipsinė, tačiau nustatyti disko savybes nėra paprasta. Tą padaryti padeda skirtingų reiškinių stebėjimas, pavyzdžiui čia oranžine spalva išryškintų žvaigždėdaros regionų. Tyrinėdami juos vieną po kito galime suprasti, kur galaktikoje formuojasi žvaigždės ir kaip jos juda, taip susidėliodami galaktikos struktūros vaizdą.

***

Automatizuota radijo žybsnių paieška. Greitieji radijo žybsniai (FRB) trunka vos kelias milisekundes, bet išspinduliuoja tiek energijos, kiek Saulė per dešimtmetį – jei jų spinduliuotė sklinda visomis kryptimis vienodai, o ne tik siauru pluoštu į mus. Tyrinėti juos iki šiol buvo labai sudėtinga, nes dauguma jų aptikti tik atsitiktinai, didelį dangaus plotą stebinčiais, bet mažai detalių įžvelgiančiais teleskopais. Dabar sukurtas naujas algoritmas, automatiškai aptinkantis FRB požymius ir nukreipiantis ta kryptimi detaliai stebėti galinčius teleskopus. Juo pasinaudojus, 2017 birželio – 2018 gruodžio laikotarpiu detaliai išnagrinėti penki iš šešių žybsnių, aptiktų Molonglo observatorijoje Australijoje. Tokie stebėjimai atskleidė daug įdomių struktūrų žybsnių spinduliuotėje: pavyzdžiui, vienas žybsnis susideda iš trijų dalių, kurias skiria po milisekundę. Apskritai sistema leido pasiekti dešimties mikrosekundžių laikinę raišką, taigi žybsnius nagrinėti galima detaliai kaip niekad anksčiau. Visų žybsnių bangų dispersija – išsisklaidymas laike – atitinka sąveikos su tarpgalaktine medžiaga prognozes, taigi žybsniai tikrai atsklinda ir už Paukščių Tako ribų. Įvertinta, kad iš viso kasdien turėtų įvykti kone šimtas žybsnių, kuriuos galėtų užfiksuoti šiandieniniai teleskopai, taigi paieškos sistemos dar yra kur tobulėti; šis algoritmas yra vienas žingsnis šia kryptimi. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Gama žybsnio savybės. Gama žybsniai yra labai energingi sprogimai, įvykstantys mirštant labai masyviai greitai besisukančiai žvaigždei arba jungiantis dviem neutroninėms žvaigždėms. Nors jie aptikti prieš daugiau nei 50 metų, kol kas dar labai daug ko apie juos nežinome. Naujame tyrime, apjungus labai energingos gama spinduliuotės ir rentgeno spindulių stebėjimus, bandoma atskleisti sprogimo liekanos savybes praėjus kelioms dešimtims sekundžių po sprogimo momento. Šis etapas vadinamas liekamojo spinduliavimo faze (angl. afterglow) ir yra susijęs su smūginėmis bangomis, sklindančiomis per besiplečiančią sprogusio objekto liekaną. Liekamasis spinduliavimas susideda iš labai įvairios energijos fotonų – nuo radijo iki gama spindulių. Naujajame tyrime nagrinėti labai energingi fotonai, aptikti MAGIC teleskopu Kanarų salose, stebinčiu Žemės atmosferoje kylantį elementariųjų dalelių lietų, į ją pataikius tokiam energingam fotonui. Kartu ištirti Swift kosminiu teleskopu užfiksuoti mažiau energingi rentgeno spinduliai. Analizė rodo, kad rentgeno spinduliuotė sklinda iš medžiagos čiurkšlės, judančios beveik šviesos greičiu – jos Lorentzo faktorius, nurodantis dalelių energijos santykį su rimties masės energija, siekia maždaug 100. Tuo tarpu energingiausi fotonai sklinda iš medžiagos, turinčios Lorentzo faktorių 10000, tai yra iš smūginės bangos, sklindančios liekanos viduje. Įdomu, kad teoriniai modeliai prognozuoja žymiai daugiau labai energingų fotonų, nebent jie yra gana efektyviai sugeriami pačioje liekanoje, taigi šie stebėjimai jau padėjo patikrinti kai kurias modelių prielaidas ir atmesti nepasiteisinusias. Tolesnė šių duomenų bei kitų to paties žybsnio – GRB 190114C – stebėjimų analizė turėtų padėti dar geriau suprasti, kurie modeliai yra teisingiausi, arba netgi paskatinti sukurti visiškai naujus. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Štai tiek naujienų iš praėjusios savaitės. Kaip įprastai, laukiu jūsų klausimų ir komentarų.

Laiqualasse

4 comments

  1. „Pirmosios žvaigždės Visatoje buvo sudarytos praktiškai vien iš vandenilio ir helio, su labai nežymia ličio priemaiša“ Iš kur jose atsirado litis? Jis geba formuotis ir ne žvaigždėse?

    Tarp kitko puikus visatos kąsnelis kaip ir visada.

  2. Tai, sakot, asteroidų smūgiai gali sukelti kataklizmAS . . Specialiai pasitikslinau, ar tik nebus pagal kokią naujobišką kalbininkų teoriją terminas iš vyriškos giminės persliuogęs į moterišką. Na ne – liko kur buvęs: kataklizmUS :)
    O turinys įdomus. Ačiū!

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *