Didysis dujų kraustymasis. I dalis

Pagrindinė galaktikų sudedamoji dalis yra tamsioji materija – jos yra maždaug penki šeštadaliai. Iš likusio šeštadalio tokiose galaktikose, kaip Paukščių Takas, didžiąją dalį sudaro žvaigždės. Trečias pagrindinis komponentas – dujos ir dulkės, bendrai vadinamos tarpžvaigždine medžiaga. Paukščių Take jų masė siekia apie šeštadalį žvaigždžių masės, arba dešimt milijardų Saulės masių. Elipsinėse galaktikose dujų įprastai yra santykinai mažiau, nykštukinėse – santykinai daugiau. Galaktikų spiečiuose dujų yra daugiau, nei žvaigždžių, tik didžioji jų dalis pasiskirsčiusi tarpgalaktinėje erdvėje.

Tarpžvaigždinės ir tarpgalaktinės dujos toli gražu nėra inertiškos. Keičiasi jų padėtis ir pasiskirstymas – įvairūs srautai neša dujas lauk iš galaktikų ir į jas, pakeičia jų išsidėstymą galaktikų viduje; keičiasi jų savybės – temperatūra, jonizacijos būklė, cheminė sudėtis; dujos tampa žvaigždėmis ir planetomis, įkrenta į juodąsias skyles, o kartais yra išlaisvinamos iš žvaigždžių. Visi šie procesai verčia galaktikas ir jų aplinką sudėtingomis ekosistemomis, kuriose dujos veikia kaip pagrindiniai įvairių efektų tarpininkai. Tad pakalbėkime apie dujas ir jų judėjimą.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Patreon platformoje. Jei manote, kad mano tekstai verti paramos, prie jų prisidėti galite ir jūs!

Dujų bangos Persėjaus galaktikų spiečiuje. Rentgeno spindulių nuotrauka – karštos dujos daugiausiai spinduliuoja būtent šiame ruože. 250 tūkstančių šviesmečių, arba 80 kiloparsekų, yra šiek tiek daugiau, nei Paukščių Tako disko skersmuo. Šaltinis: NASA/CXC/SAO/E.Bulbul et al., NASA Goddard Space Flight Center/Stephen Walker et al.

Sekti dujų judėjimą pradėkime nuo didžiausių mastelių – tarpgalaktinės erdvės. Jei galaktika yra spiečiuje, jos aplinkoje dujų masė didesnė, nei pačioje galaktikoje. Bet net ir ne spiečiuose tarpgalaktinių dujų yra, ir nemažai. Apskritai maždaug pusė regimosios Visatos medžiagos pasklidusi tarpgalaktinėje erdvėje. Ši medžiaga yra karšta ir labai reta, todėl aptikti ją sudėtinga ir tą padaryti pavyko tik prieš keletą metų (apie tai rašiau pernai), nors skaitmeniniai modeliai tokių struktūrų, vadinamų kosminiu voratinkliu, egzistavimą prognozuoja jau seniai. Kaip ir dera voratinkliui, dujos išsidėsčiusios mazguose – spiečiuose – ir gijose, kurios jungia spiečius ir riboja kosmines tuštumas. Ir iš jų po truputį dujos krenta į galaktikas.

Kosminio voratinklio elemento nuotrauka. Mėlynai pavaizduotos karštos dujos, balti taškai – sparčiai žvaigždes formuojančios galaktikos. Tarpgalaktinių dujų srautai maitina šias galaktikas ir žvaigždėdarą jose. Šaltinis: RIKEN

Tam, kad dujos galėtų įkristi į galaktiką, jos turi atvėsti. Mat nuo temperatūros priklauso vidutinis dujų dalelių (daugiausiai vandenilio jonų bei elektronų) greitis, o kuo greičiau kas nors juda, tuo sunkiau jį išlaikyti gravitaciniame lauke. Štai ir iš Žemės norint pabėgti, reikia išvystyti daugiau nei 11 kilometrų per sekundę greitį. Norint pabėgti iš galaktikų, reikia kelių šimtų kilometrų per sekundę greičio; tai atitinka dešimčių milijonų laipsnių temperatūrą. Iki žemesnės temperatūros atvėsusios dujos jau gali įkristi į galaktikas. Dujos vėsta dėl įvairių procesų, bet esant tokiai temperatūrai dominuoja laisvųjų elektronų spinduliuotė. Elektronas, skriedamas netoli protono, yra šiek tiek pritraukiamas ir sulėtėja, o protonas – pagreitėja. Bet elektronas, būdamas daug lengvesnis, sulėtėja daug labiau, nei pagreitėja protonas, ir netenka daugiau energijos, nei protonas įgyja. Likusi energija yra išspinduliuojama.

Laisvųjų elektronų spinduliuotė tuo intensyvesnė, kuo tankesnės dujos, ir kuo jos karštesnės, nes abu dydžiai nulemia, kaip dažnai vyksta sąveikos. Žinodami juos, galime apskaičiuoti ir tikėtiną spinduliuotės šviesį, o tada – ir dujų temperatūros pokytį. Ir gauname rezultatą, kad visuose galaktikų spiečiuose esančios dujos turėjo seniausiai būti nusėdusios galaktikose. Kai kuriuose spiečiuose gaunamas tipinis dujų atvėsimo laikas siekia apie dešimt milijardų metų, taigi yra palyginamas su Visatos amžiumi, bet kituose būna ir daug mažesnis, nesiekiantis net milijardo. Faktas, kad tarpgalaktinės dujos vis dar egzistuoja, vadinamas „vėstančių srautų problema“ (angl. Cooling flow problem).

Prieš porą dešimtmečių identifikuota problema sulaukė įvairių sprendimo idėjų. Galbūt vėstančios dujos efektyviai maišosi su karštomis, dėl to vidutinė jų temperatūra išlieka aukšta? Gal karštos dujos iš spiečių pakraščių efektyviai perduoda šilumą į centrą? Gal kosminiai spinduliai – labai energingos dalelės, išmetamos, pavyzdžiui, supernovų sprogimų metu, įkaitina tarpgalaktines dujas? Visgi labiausiai tikėtinas sprendimas yra aktyvių galaktikų branduolių poveikis. Prie pačių aktyvių branduolių dar prieisime antroje pasakojimo dalyje (taip pat plačiau paskaityti galite čia); dabar tereikia žinoti, kad tai yra labai stiprūs spinduliuotės šaltiniai galaktikų centruose, kurie atsiranda, kai į ten esančias supermasyvias juodąsias skyles ima sparčiai kristi dujos. Aktyvaus branduolio poveikis aplinkai yra labai įvairus; viena iš poveikio rūšių – čiurkšlės, beveik šviesos greičiu paleidžiami siauri dujų srautai. Jos gali išsiveržti lauk iš galaktikos ir dažnai sukuria milžiniškus burbulus, švytinčius radijo bangomis, kartais ir rentgeno bei gama spinduliais. Didžiuliai energijos kiekiai, sukaupti čiurkšlėse, perduodami tarpgalaktinei medžiagai, ją įkaitina ir taip sulėtina vėsimo procesą.

Visgi, nepaisant grįžtamojo ryšio, dujos po truputį vėsta ir krenta į galaktikas. Kaip ir daugelis kitų procesų, šis spartesnis buvo praeityje (apie Visatos pokyčius, jai senstant, esu rašęs čia). Pavyzdžiui, į Paukščių Tako dydžio galaktiką prieš 11 milijardų metų gaudavo apie 100 Saulės masių dujų per metus, o dabar gauna 1-10 Saulės masių per metus.

Dalis šių dujų virsta žvaigždėmis, bet iki įsižiebimo joms dar reikia nueiti nemenką kelią. Patekusios į galaktikos halą, dujos dar yra pernelyg karštos ir retos, kad imtų fragmentuoti ir suformuotų žvaigždes. Jos po truputį toliau vėsta ir krenta galaktikos centro bei disko link. Galutinis jų tikslas priklauso nuo fizikinio dydžio, vadinamo judesio kiekio momentu. Grubiai tariant, šis dydis parodo, kaip labai kas nors sukasi (kadaise plačiau apie jį rašiau čia). O mums šiuo atveju svarbu, kad tas dydis yra tvarus, kitaip tariant, jis niekur nepranyksta. Jei koks nors dujų srautas į galaktiką krenta „tiesiu taikymu“, jo judesio kiekio momentas yra mažas, ir srautas gali lengvai pasiekti galaktikos centrą. Iš kitos pusės, jei srautas lekia beveik „pro šalį“, jo judesio kiekio momentas galaktikos centro atžvilgiu yra didelis ir dujos ima skrieti orbita tam tikru, galbūt dideliu, atstumu nuo jo. Sukimasis priešinasi kritimui į centrą tik vienoje plokštumoje, o išilgai sukimosi ašies – ne, tad srautas gali susispausti į diską. Jei srautų yra daug, jie, laikui bėgant, susiduria ir galiausiai vis tiek suformuoja vieną diską.

Daugumą galaktikų formavo ir vienokie, ir kitokie srautai. Jei dominavo tiksliai centro link lekiantys, galaktika tapo elipsine, jei buvo daug lekiančių pro šalį, susiformavo diskinė. Tiesa, diskinių galaktikų centruose dažniausiai randama daugmaž sferinė dalis, vadinama centriniu telkiniu arba baldžu. Vėlesni, vis silpnėjantys, dujų srautai papildo ir diską, ir baldžą, bet patys vieni radikaliai jų transformuoti nepajėgia – tam reikia galaktikų susiliejimo.

Pirmykščių galaktikų formavimosi schema. Jei galaktika formuojasi iš lėtai besisukančių dujų, ji gali tapti elipsine, o jei dujos sukasi – diskine. Čia nepavaizduoti galaktiką maitinantys dujų srautai, bet juos galima laikyti tiesiog kitokia pradinio dujų rezervuaro forma. Šaltinis: Pearson Education

Į galaktiką patekusios dujos nelieka vienoje vietoje visiems laikams. Savaime suprantama, diske esančios dujos sukasi daugmaž ratu. Bet jų orbita nėra nei tikslus apskritimas, nei elipsė, o daug sudėtingesnės formos trajektorija. Baldžo dujos taip pat juda sudėtingais keliais. Taip nutinka dėl dviejų priežasčių – galaktikos gravitacinio potencialo formos ir jame kylančių nestabilumų.

Galvodami apie judėjimą orbita, dažnai įsivaizduojame Saulės ar panašią planetinę sistemą. Joje beveik visa masė sutelkta centriniame kūne, tad kiti objektai, galima sakyti, sukasi apie jį. Šiuo atveju ir orbitos yra gana paprastos: apskritimai arba elipsės; jei pridėsime galimybę kūnams pabėgti iš sistemos ar į ją atlėkti iš šalies, gauname paraboles ir hiperboles. Tačiau galaktika nuo planetinės sistemos skiriasi iš esmės, mat galaktikos masė pasiskirsčiusi plačiai ir nesimetriškai (apie skirtumus šiek tiek plačiau esu rašęs čia). Taigi skirtinguose taškuose net ir tuo pačiu atstumu nuo centro esantį tašką veikia skirtingo dydžio traukos jėga, kuri gali būti nukreipta ne tiksliai į centrą. Skirtingu atstumu nuo centro veikianti jėga keičiasi ne tik dėl atstumo, bet ir dėl veikiančios masės pokyčio. Tad ir orbitos galaktikoje gali būti daug įvairesnės, nei planetinėje sistemoje.

Nukrypstant į truputį techniškesnius dalykus, orbitų įvairovė atsiranda todėl, kad gravitacinis potencialas turi mažai simetrijų. Kiekviena fizikinės sistemos simetrija yra susijusi su tam tikru tvermės dėsniu. Pavyzdžiui, jei sistema nesikeičia, pasukus ją aplink kurią nors ašį, tai toje sistemoje judantis kūnas turės tvarią judesio kiekio momento komponentę aplink tą ašį. Planetinėje sistemoje, jei nekreipiame dėmesio į planetų mases, gravitacinis potencialas simetriškas aplink bet kurią ašį, einančią per žvaigždę, taigi ir judesio kiekio momentas yra tvarus visomis kryptimis. Jei sistema nekinta laike, tvari yra judančio kūno energija, jei nekinta paslinkus erdvėje – tvarus judesio kiekis. Gravitacijos veikiamoms sistemoms šių trijų simetrijų ir užtenka. Galaktikos potencialas dažniausiai neturi jokios simetrijos ašies, taigi judesio kiekio momentas nėra tvarus (tiksliau sakant – judesio kiekio momentas yra tvarus, jei pačią galaktiką laikome kintančiu kūnu, bet jei nagrinėjame pavienės žvaigždės judėjimą, o jos poveikio galaktikai nevertiname, judesio kiekio momento tvermė pranyksta). Kuo mažiau simetrijų, tuo įvairesnės orbitos gali egzistuoti.

Žvaigždžių orbitos galaktikoje yra labai įvairios, bet pačioms žvaigždėms tai neturi didelės įtakos. Diske esančios žvaigždės juda daugmaž ratu aplink galaktikos centrą bei svyruoja aukštyn-žemyn statmenai galaktikos plokštumai (Saulė – ne išimtis; apie jos kelionę rašiau čia). Baldžo žvaigždės skrajoja daug įvairiau – pailgomis, vamzdinėmis, banano formos ir panašiomis orbitomis. Bet dujos taip skrajoti negali, mat jų srautai yra daug didesni už žvaigždes ir, judėdami netvarkingai, ima susidūrinėti tarpusavyje.

Galaktikos diske dujų susidūrimai sukuria sutankėjimus. Sutankėjimai traukia aplinkines dujas ir auga, tačiau jų augimui priešinasi ir pačių dujų slėgis, ir disko sukimasis, mat skirtingu atstumu nuo centro esančios dujos juda nevienodai greitai. Esant tinkamoms sąlygoms, sutankėjimas gali pavirsti spiraline vija. Vija toliau veikia kaip eismo spūstis: dujos, judėdamos galaktikoje, pasiekia tankesnę viją ir sulėtėja. Kurį laiką jos juda vijoje, o tada pabėga iš jos ir nuskrenda tolyn, kol galiausiai pasiekia sekančią viją – dauguma galaktikų turi dvi arba keturias vijas. Į viją įkritusios dujos suspaudžiamos, taip stimuliuojama žvaigždėdara, todėl vijos išryškėja stebint jaunų žvaigždžių spinduliuotę.

Spiralinių vijų formavimosi modeliai. Viršuje – žvaigždžių išsidėstymas galaktikoje, apačioje – dujų. Vijos aiškiai matosi, stebint dujas, bet žvaigždės pasiskirsčiusios daug tolygiau. Keturi stulpeliai vaizduoja skaitmeninius modelius, kuriuose vijos formuojasi dėl skirtingų procesų. Šaltinis: Alex Pettitt

Jaunų žvaigždžių spinduliuotė, vėjai ir kiek vėliau įvykstantys supernovų sprogimai išblaško dujas ir gali dalį jų visiškai išmesti iš galaktikos. Tiesa, dažniau žvaigždžių poveikis yra truputį lokalesnis: diske susiformuoja milžiniški burbulai, dujos išsiveržia iš disko į galaktikos halą, pakilusios atvėsta ir nukrenta atgal į diską. Šis procesas vadinamas galaktiniu fontanu. Kartais dujos nukrenta arčiau centro, nei pakilo, kartais – toliau. Skirtingose disko vietose žvaigždžių formavimasis vyksta skirtingu greičiu, tad ir dujų cheminė sudėtis skiriasi: arčiau centro, kur žvaigždės formuojasi sparčiau, dujos turi daugiau metalų, toliau nuo centro – mažiau. Galaktinis fontanas sumažina šiuos skirtumus, tad galaktikų pakraščiuose dujos yra praturtintos metalais daug daugiau, nei būtų be jo.

Galaktinio fontano schema. Kairėje viršuje pavaizduotas HVC – high-velocity cloud – krenta į Galaktiką iš išorės. Dešinėje pavaizduoti du būdai fontano dujoms aptikti: pagal tolimų objektų spinduliuotės sugertį bei pagal vandenilio atomų spinduliuotę. Šaltinis: Antonino Marasco

Spiralinės vijos greičiausiai nėra amžinos. Veikiamos ardančių veiksnių jos gali išsiardyti, o po kurio laiko susiformuoti iš naujo. Bent jau tą rodo skaitmeniniai modeliai – šie procesai vyksta taip lėtai, kad identifikuoti besiformuojančių ar nykstančių spiralinių vijų kol kas nepavyksta. Jų formavimuisi įtakos gali turėti ir supernovų sprogimai – jie taip pat suspaudžia dujas. Kol kas spiralinių vijų atsiradimas ir evoliucija kelia dar daug klausimų.

Šioje vietoje, išsiaiškinus dujų kelionę tarpgalaktinėje erdvėje, galaktikos hale bei diske, galime padaryti pertrauką. Antroje dalyje papasakosiu, kas vyksta arčiau galaktikos centro – kaip dujos patenka į baldžą ir iki supermasyvios juodosios skylės ir kaip jas paveikia aktyvaus branduolio spinduliuotė.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *