Kąsnelis Visatos CDXXXIX: Ekstremalai

Ekstremalus kvazaras Visatos pakraštyje, ekstremali (galbūt) neutroninė žvaigždė, ekstremalios Marso audros tyrimai, ekstremali žvaigždė, ekstremaliai jauna planeta-milžinė… Įvairių ribas stumdančių ar griaunančių objektų paieškos ir tyrimai dažnai atveria naują supratimą apie Visatoje vykstančius procesus. Kai kurie iš praėjusios savaitės atradimų turbūt irgi bus tokie. Tarp kitų naujienų – skirtumai tarp artimosios ir tolimosios Mėnulio pusės, medžiagos judėjimas milžiniškais srautais Saulės išorinėje dalyje, galimi vandenynai Kuiperio žiedo objektuose ir egzoplanetose. Gero skaitymo!

***

Mėnulio pusių skirtumų priežastis. Iš Žemės matomoje Mėnulio pusėje dominuoja didžiulės tamsios žemumos – jūros. Jos susidarė milžiniškų vulkaninių išsiveržimų metu palydovo jaunystėje. Tuo tarpu tolimojoje pusėje yra daugybė kraterių, o jūrų – beveik ne. Vienas galimas skirtumo paaiškinimas yra toks, kad artimojoje Mėnulio pusėje vulkanizmas truko ilgiau, nei tolimojoje, tačiau jis tik užduoda kitą klausimą: kodėl Mėnulis atvėso ir sustingo nevienodai? Naujame tyrime į šį klausimą bandoma atsakyti tiriant cheminės sudėties įtaką Mėnulio mantijos evoliucijai. Didelę dalį artimosios Mėnulio pusės dengia Audrų vandenynas, o jo pluta gerokai skiriasi nuo likusio Mėnulio. Vadinamasis Audrų KREEP sluoksnis turi daug kalio (K), retųjų žemių elementų (REE) bei fosforo (P). Taip pat ten yra daug daugiau radioaktyvių elementų urano bei torio, nei likusioje plutoje. Tyrėjai pagamino uolienas, panašias į Mėnulio plutą, su skirtingu kiekiu KREEP priemaišų – nuo 5% iki 50% – ir išnagrinėjo, kaip jos lydosi. Paaiškėjo, kad priemaišos sumažina lydymosi temperatūrą, taigi ties Audrų vandenynu Mėnulio mantija ilgiau išliko skysta. Radioaktyvių elementų skleidžiama šiluma taip pat prisidėjo prie lėtesnio atvėsimo ir prailgino aktyvaus vulkanizmo laikotarpį. Šis atradimas padės geriau suprasti jauno Mėnulio evoliuciją, o kartu ir Mėnulio atsiradimą bei Žemės savybes pirmaisiais milijonais gyvavimo metų. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

***

Plazmos tėkmės Saulės paviršiuje. Saulė nuolatos keičiasi – minučių, valandų ir ilgesniais laikotarpiais. Vienas pagrindinių yra 11 metų trukmės ciklas. Jo metu kinta dėmių skaičius žvaigždės paviršiuje, taip pat kinta ir jų padėtis – atsiradusios vidurinėse platumose, dėmės po truputį artėja prie pusiaujo, o ten išnyksta. Skirtingu ciklo metu dėmės ir atsiranda skirtingose vietose – iš pradžių toliau nuo pusiaujo, o ciklui intensyvėjant – vis arčiau jo. Naujame tyrime atskleistas galimas šio cikliškumo paaiškinimas: dienovidinis medžiagos judėjimas išorinėje Saulės dalyje. Daugiau nei 22 metus trukusių stebėjimų, darytų antžeminiais ir kosminiais teleskopais, analizė parodė, kad medžiaga Saulėje juda iš šiaurės į pietus ir atgal. Judėjimas sudaro du sūkurius – vieną šiauriniame pusrutulyje, kitą pietiniame. Kiekviename sūkuryje Saulės paviršiuje plazma juda ašigalių link, o gilesniuose sluoksniuose artėja prie pusiaujo. Judėjimo greitis yra labai nedidelis, palyginus su kitais, būdingais Saulėje: 50 km/val. paviršiuje, o gelmėse išvis vos 15 km/val. Identifikuoti tokį lėtą judėjimą padėjo helioseismologija – Saulės virpesių stebėjimai. Garso bangos, sklindančios ta pačia kryptimi, kaip juda medžiaga, Saulę kerta greičiau, nei judančios priešinga kryptimi, taigi stebint bangų sklidimą galima įvertinti ir medžiagos judėjimą. Įdomu, kad vieną ratą sūkurys apsuka per 22 metus – du Saulės aktyvumo ciklus, po kurių žvaigždės magnetinio lauko konfigūracija atsikartoja (kas antrame cikle magnetinis laukas apsiverčia). Taigi šis dienovidinis judėjimas neabejotinai susijęs su Saulės aktyvumu, nors kol kas neaišku, kaip tiksliai. Tyrimo rezultatai publikuojami Science.

***

Automatizuota mėginių analizė Marse. Planetų tyrimų zondai surenka vis daugiau duomenų. Netrukus gali ateiti laikas, kai persiųsti visus surenkamus duomenis į Žemę taps nebepraktiška. Taigi mokslininkai ieško būdų, kaip bent iš dalies automatizuoti duomenų analizę, kad į Žemę keliautų tik svarbiausios ir įdomiausios žinios. Praeitą savaitę vykusios Goldschmidt geomokslų konferencijos metu grupė mokslininkų pristatė planus dalinai automatizuoti zondo Rosalind Franklin marsaeigio duomenų apdorojimą. Rosalind Franklin yra ExoMars projekto, kurį bendrai vykdo Europos ir Rusijos kosmoso agentūros, dalis; Marsą jis turėtų pasiekti 2023 metais. Vienas iš jo prietaisų yra Marso organinių molekulių analizatorius (MOMA). Prietaiso paskirtis – identifikuoti organines molekules uolienų mėginiuose, kuriuos surinks marsaeigis. Taip tikimasi atrasti kadaise egzistavusios, o gal ir dabar egzistuojančios, gyvybės pėdsakų, jei tik jų ten yra. Naudodamiesi inžineriniu MOMA modeliu, tyrėjai apmokė neuroninį tinklą atpažinti įvairių molekulių spektrus ir sugrupuoti jas. Dabartinis tinklas nepažįstamą molekulę gali kategorizuoti 94% tikslumu ir 87% tikslumu ją priskirti jau žinomų junginių grupei. Iki marsaeigiui išskrendant iš Žemės 2022 metais, tinklas bus dar pagerintas ir greičiausiai apmokytas atlikti daugiau funkcijų. Ateityje panašūs algoritmai galėtų netgi priimti sprendimus, kuriuos mėginius palikti detalesnei analizei, arba kuriose vietose paimti daugiau mėginių, be žmogaus įsikišimo. Pranešimo santrauką rasite konferencijos puslapyje.

***

Marso dulkių audros evoliucija. 2018 metais visą Marsą apgaubė milžiniška dujų audra, pražudžiusi marsaeigį Opportunity. Nors tai – toli gražu ne pirmoji tokia audra, ši buvo ištirta detaliau, nei bet kuri ankstesnė. Dabar žurnale JGR Planets paskelbti net 23 straipsniai, nagrinėjantys įvairius audros aspektus. Audra susidėjo iš dviejų sustiprėjimų, kurių metu į atmosferą pakelta labai daug dulkių, ypač arti pusiaujo. Tarp sustiprėjimų buvo mažesnio aktyvumo periodas. Audra prasidėjo anksčiau, nei bet kuri kita panašaus dydžio – iškart po lygiadienio, kai pietų pusrutulyje prasidėjo pavasaris. Įprastai didžiosios audros vyksta arčiau vasaros vidurio. Tyrimai taip pat leido patikslinti Marso klimato modelius. Audros yra ypatingai sudėtingi, kompleksiški procesai, ypač tokios, apgaubiančios visą planetą. Pavyzdžiui, šios audros metu iš pradžių labai daug dulkių buvo atnešta iš Sabėjos regiono į Tarsidės plynaukštę, o vėliau jau Tarsidės plynaukštė tapo pagrindiniu dulkių šaltiniu, iš kurio dulkės keliavo į Arabijos regioną. Tokie procesai parodo, kad audros perskirsto dulkes per visą Marso paviršių. Visus straipsnius rasite žurnalo puslapyje.

***

Kuiperio žiedo kūnų vandenynai. Plutonas greičiausiai turi popaviršinį vandenyną. Nuo sustingimo jį apsaugo storas ledo sluoksnis, veikiantis kaip šiluminė izoliacija. Kol kas neaišku, ar toks vandenynas atsirado Plutonui jau susiformavus, kai jo gelmes įšildė radioaktyvių elementų skilimas nykštukinės planetos branduolyje, ar buvo nuo pat Plutono susiformavimo laikų. Pirmasis scenarijus vadinamas „šaltuoju startu“, jis grindžiamas tuo, kad Plutonas formavosi iš šaltų uolienų ir ledo gabalų. Naujame tyrime teigiama, kad antrasis, „karštojo starto“ scenarijus, yra teisingesnis. Tyrėjai sumodeliavo Plutono paviršiaus evoliuciją abiem scenarijais ir palygino modelių prognozuojamas paviršiaus struktūras su stebimomis. Šaltojo starto atveju Plutonas jaunystėje turėjo trauktis, o vėliau, atsiradus vandenynui – išsiplėsti. Karštojo starto atveju Plutonas plėtėsi visą laiką, iš pradžių greičiau, o pastaruosius 3,5 milijardo metų – lėčiau. Būtent šis modelis sukuria kalnagūbrių ir griovių kupinus regionus, kokie matomi New Horizons darytose nuotraukose. Kaip paaiškinti vandenyną Plutono jaunystėje? Jis gali atsirasti, jei formavimosi pabaigoje, paskutinius 30 tūkstančių metų, į Plutoną medžiaga krito gana sparčiai – tiek, kad jos smūgių energijos pakako išlydyti daliai ledo. Būtent tokį elgesį prognozuoja Saulės sistemos pakraščių formavimosi modeliai. Tai būdinga ne vien Plutonui, bet ir kitiems Kuiperio žiedo objektams, tad ir juose vandenynai galėjo egzistuoti visus 4,5 milijardo metų. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

***

Vulkanizmas egzoplanetose. Žemės evoliucijai daug įtakos turi vulkanizmas. Kitose planetose ugnikalnių nėra, tačiau šiluma, sklindanti iš gelmių, taip pat gali jas paveikti. Arti didesnio kūno esantys objektai – pavyzdžiui, kai kurie didžiųjų planetų palydovai – įšyla veikiami potvyninių jėgų. Šie du šilumos šaltiniai gali būti svarbūs ir egzoplanetoms. Grupė mokslininkų ištyrė, kiek įtakos vidinis šildymas gali turėti 53 gerai charakterizuotoms egzoplanetoms. Planetų masės siekia iki aštuonių Žemės masių, spinduliai – iki dviejų Žemės spindulių, taigi visos planetos yra uolinės. Įvertinę, kiek šiose planetose gali būti radioaktyvių elementų bei kiek jas veikia žvaigždžių potvyninės jėgos, tyrėjai priėjo išvadą, kad jose visose galima tikėtis aktyvaus vulkanizmo. Ketvirčio planetų savybės atitinka vandenines planetas – jų didelę masės dalį sudaro vanduo. Aktyvus vulkanizmas gali reikšti, kad vanduo ten yra šiltas, arba kad egzistuoja skystas vandenynas po ledo sluoksniu, net jei planeta iš žvaigždės negauna pakankamai energijos, kad ištirptų paviršiaus ledas. Teoriškai, stebint egzoplanetos atmosferą, įmanoma aptikti ir stiprių ugnikalnių išsiveržimų pėdsakus. Jei ledo dengiamos planetose vyksta kriovulkanizmas – vandens išsiveržimai pro ledo sluoksnį – tą irgi bus įmanoma aptikti ir taip identifikuoti galimą planetų tinkamumą gyvybei. Tyrimo rezultatai publikuojami Publications of the Astronomical Society of the Pacific.

***

Jauna dujinė milžinė. Saulės sistemoje planetos išsidėsčiusios aiškia tvarka: uolinės arti žvaigždės, dujinės ir ledinės milžinės – toliau. Egzoplanetų sistemos yra gerokai įvairesnės. Dažnai jose randami karštieji Jupiteriai – dujinės milžinės labai arti žvaigždžių. Kaip jos ten atsiranda? Tikimybė planetai susiformuoti taip arti žvaigždės – labai menka: spinduliuotė bei žybsniai turėtų nupūsti dujas, joms nespėjus sukristi ant planetos. Taigi greičiausiai karštieji Jupiteriai formuojasi toli nuo žvaigždės, o vėliau atmigruoja artyn. Bet išlieka klausimas, kada ta migracija vyksta. Praeitą savaitę atrastas jauniausias karštasis Jupiteris gali padėti atsakyti į šį klausimą. Planeta HIP 67522 b skrieja aplink 17 milijonų metų amžiaus žvaigždę ir vieną ratą apsuka vos per septynias Žemės paras. Žvaigždės masė panaši į Saulės, taigi ji yra ypatingai jauna – mūsų žvaigždės amžius siekia beveik penkis milijardus metų. Tokia jauna žvaigždė dar nespėjo visiškai suardyti protoplanetinio disko, taigi planeta atmigruoti turėjo sąveikaudama su juo. Kiti žinomi karštieji Jupiteriai yra milijardo metų amžiaus ir senesni – jie galėjo atmigruoti ir po disko išgaravimo, sąveikaudami tik su kitomis planetomis. Nors vienas jaunas karštasis Jupiteris negali atsakyti, kuris iš dviejų migracijos variantų yra dažnesnis, šis atradimas parodo, kad bent vienu atveju migracija įvyko anksti. Ateityje, jei pavyks panašių planetų atrasti daugiau, bus galima nustatyti ir tipinį amžių, kada dujinės planetos ima migruoti artyn žvaigždės. Gal tai padės paaiškinti ir kodėl tai neįvyko Saulės sistemoje. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Antario atmosfera. Žvaigždės, baigdamos gyvenimus, išsipučia į raudonąsias milžines arba supermilžines. Antaris, maždaug 12 kartų už Saulę masyvesnė žvaigždė Skorpiono žvaigždyne, būtent tokia ir yra. Jau seniai žinoma, kad jos spindulys Saulės spindulį viršija apie 700 kartų – jei padėtume ją Saulės vietoje, Antaris apgaubtų visas keturias vidines planetas ir netgi dalį Asteroidų žiedo. Bet žvaigždės paviršius nėra jos pabaiga. „Paviršiumi“ paprastai laikoma fotosfera, iš kurios atsklinda dauguma stebėtojus pasiekiančių žvaigždės fotonų. Virš jos egzistuoja chromosfera ir vainikas. Saulės chromosfera yra mažytė, palyginus su visa žvaigžde, bet milžinėse, pasirodo, yra kitaip. Tą aiškiai parodo naujausi Antario stebėjimai. Jie atlikti naudojant submilimetrinių bangų teleskopą ALMA ir radijo bangų teleskopų masyvą VLA. Šie teleskopai pasiekia labai aukštą erdvinę raišką ir yra jautrūs spinduliuotei, sklindančiai iš šių palyginus nekarštų retų dujų kupinų regionų. Raudonosios milžinės paviršius yra daug vėsesnis, nei Saulės – Antario paviršiaus temperatūra siekia apie 3600 laipsnių, o Saulės – 5700. Chromosfera yra dar vėsesnė, apie 2700 laipsnių. Tačiau ji yra labai stora, maždaug 35% pačios žvaigždės spindulio. Dar toliau už chromosferos prasideda vainikas, kuriame paleidžiamas stiprus žvaigždės vėjas. Vainikas tęsiasi bent iki pustrečio žvaigždės spindulio; mūsų Saulės sistemoje jis driektųsi maždaug iki Neptūno orbitos. Žvaigždės vėjas formuoja ūką, vadinamą planetiniu, kuris po milijonų metų sužibs, kai žvaigždė sprogs kaip supernova. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Paukščių Takas rentgeno spindulių diapazone. Šaltinis: Jeremy Sanders, Hermann Brunner, eSASS komanda (MPE); Eugene Churazov, Marat Gilfanov (IKI)

Nakties dangus atrodo gerai pažįstamas – įvairaus ryškumo žvaigždės, Paukščių Tako juosta, Pietų pusrutulio gyventojai dar mato Didįjį ir Mažąjį Magelano debesis. Bet jei galėtume į dangų pažvelgti ne regimųjų spindulių ruože, pamatytume daug daugiau kitų įdomybių. Čia matome rentgeno spindulių, maždaug 500 kartų didesnės energijos, nei regimieji, vaizdą. Paukščių Take sužimba keli ryškūs šaltiniai – supernovų liekanos. Taip pat karštų dujų juostos abipus Galaktikos disko. Fone – kitos galaktikos ir bendras rentgeno spinduliuotės fonas, atsklindantis iš įvairiausių šaltinių, nuo aktyvių galaktikų branduolių iki neutroninių žvaigždžių.

***

Masyviausia neutroninė žvaigždė? Masyvios žvaigždės, baigdamos savo gyvenimus, sprogsta supernovomis, o sprogimo vietoje lieka neutroninė žvaigždė arba juodoji skylė. Teoriniai skaičiavimai rodo, kad neutroninė žvaigždė negali būti masyvesnė, nei 2,16 Saulės masės – masyvesnis objektas turėtų pavirsti juodąja skyle. Iš kitos pusės, supernovų sprogimų modeliai rodo, kad susidarančios juodosios skylės turėtų būti tris arba daugiau kartų masyvesnės už Saulę. Taigi kompaktiškų objektų, kurių masė yra tarp 2,16 ir 3 Saulės masių, tiesiog neturėtų būti. Žinoma, gamta yra kupina staigmenų – praeitą savaitę paskelbta pernai rugsėjį aptikto gravitacinių bangų signalo analizė: signalą paskleidė 23 Saulės masių juodoji skylė, susijungianti su 2,6 karto už Saulę masyvesniu objektu. Signalas atsklido iš maždaug 240 megaparsekų atstumo; palyginimui, Andromedos galaktika nuo mūsų nutolusi mažiau nei vieną megaparseką. Tai yra kone šešis kartus didesnis nuotolis, nei pirmojo dviejų neutroninių žvaigždžių susijungimo signalo, aptikto 2017 metais. Jei įvykio metu buvo išspinduliuota kiek nors elektromagnetinės spinduliuotės – gama spindulių žybsnis ar kas nors panašaus – jos aptikti nepavyko. Šis įvykis taip pat yra susijungimas su didžiausiu masių santykiu – didesnis kūnas kone devynis kartus masyvesnis už mažesnįjį. Tyrėjai įvertino, kad tokių ekstremalių susijungimų dažnis turėtų būti 1-23 per metus viename kubiniame gigaparseke, taigi yra šansų jų aptikti ir daugiau. Tada gal pavyks atsakyti ir koks yra mažesnysis objektas – netikėtai masyvi neutroninė žvaigždė ar netikėtai maža juodoji skylė. Taip pat visiškai neaišku, kaip ši pora susiformavo – nors yra teorinių modelių, paaiškinančių tokio didelio masių santykio dvinarių sistemų atsiradimą, jie prognozuoja gerokai kitokias sistemos narių mases ir jų egzistavimo dažnumą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Ekstremalus kvazaras jaunoje Visatoje. Kone kiekvienos galaktikos centre egzistuoja supermasyvi juodoji skylė. Masyviausios iš jų užauga iki daugiau nei dešimties milijardų Saulės masių. Įdomu, kad net ir ankstyvoje Visatoje, praėjus mažiau nei milijardui metų po Didžiojo sprogimo, būta nedaug mažesnių – milijardą Saulės masių viršijančių – juodųjų skylių. Jos aptinkamos kaip kvazarai – ypatingai ryškūs spinduliuotės šaltiniai, nustelbiantys savo galaktikų žvaigždžių šviesą. Kvazaro spinduliuotę sukuria dujos, krentančios į juodąją skylę ir įkaistančios iki labai aukštų temperatūrų. Praeitą savaitę paskelbta apie kvazarą-rekordininką: tolimiausią kvazarą, kurio centre yra daugiau nei milijardo Saulės masių juodoji skylė. Kvazaro, pavadinto havajietišku žodžiu Pōniuā’ena, šviesa iki mūsų keliauja daugiau nei 13 milijardų metų, taigi jį matome tokį, koks jis egzistavo Visatai esant maždaug 700 milijonų metų amžiaus. Tai nėra pats tolimiausias kvazaras, bet rekordininko šviesa iki mūsų sklinda tik maždaug 2 milijonais metų ilgiau. Pōniuā’ena juodosios skylės masė siekia pusantro milijardo Saulės masių. Tai yra viena iš kelių dešimčių supermasyvių juodųjų skylių, kurių egzistavimas sunkiai paaiškinamas dabartiniais atsiradimo ir augimo modeliais. Juodoji skylė auga rydama aplinkinę medžiagą, bet šio proceso sparta turi ribas: mase padvigubėti gali ne greičiau nei per 23-45 milijonus metų (tikslus skaičius priklauso nuo to, kokia dalis krentančios medžiagos virsta spinduliuote). Per 500 milijonų metų nuo pirmųjų žvaigždžių atsiradimo juodosios skylės masė galėjo padvigubėti ne daugiau nei 20 kartų, kitaip tariant, galėjo išaugti apie milijoną kartų. Tad Pōniuā’ena išaugti iš žvaigždinės masės – keliasdešimt kartų už Saulę masyvesnės – juodosios skylės negalėjo. Kiti modeliai – pavyzdžiui, tiesioginio dujų kolapso į 100 tūkstančių Saulės masių pirmykštes juodąsias skyles – šio objekto egzistavimą paaiškinti gali, tačiau irgi gana sunkiai. Tokių ekstremalių objektų atradimas padeda suprasti Visatos struktūrų formavimosi pradžią. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Sukurti astrofizikinę sistemą laboratorijoje dažniausiai nėra įmanoma. Kartais galima atkurti tam tikrus jos elementus – pavyzdžiui, planetines uolienas ar tarpžvaigždines dulkes. Kartais – analogus, tarkim lazerių pagalba atkartojamas supernovų smūginių bangų sąlygas. Kiek netikėtai skamba tai, kad įmanoma Žemės sąlygomis sukurti ir juodosios skylės analogą. Plačiau apie tai – PBS Space Time siužete:

***

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

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.