Didysis dujų kraustymasis. II dalis

Dujos, veikiamos gravitacijos, hidrodinaminių jėgų bei spinduliuotės, juda kosmose įvairiausiais srautais – nuo didesnių už galaktikas iki protoplanetinių. Jų judėjimas ir iš to kylantys procesai apsprendžia matomų Visatos darinių – galaktikų spiečių, galaktikų, jų komponentų, žvaigždžių ir planetų – evoliuciją. Pirmojoje pasakojimo dalyje rašiau apie didelius mastelius: kaip dujos patenka į galaktikas, formuoja diskus ir spiralines vijas. Dabar kviečiu panerti giliau, arčiau galaktikų centrų, kur orbitos yra dar sudėtingesnės, susidūrimai – dažnesni, o spinduliuotė – intensyvesnė.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Patreone – ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito dolerio per mėnesį, paremti mane galite ir jūs.

Galaktikos NGC 1097 centrinė dalis. Spiralinės vijos driekiasi už nuotraukos ribų. Pailgi dujų srautai centro link – skersės požymis, o centrą juosia aplinkbranduolinis žiedas. Pačiame centre yra aktyvus branduolys. Šaltinis: ESA/Hubble & NASA, E. Sturdivant

Galaktikų diskuose dujos juda daugmaž apskritimais ar elipsėmis. Kartais sulėtėja spiralinėse vijose ir priartėja prie centro, bet šis procesas yra gana lėtas. Žvaigždžių orbitos taip pat po truputį kinta – centre jos pasiskirsto vis labiau sferiškai, taigi baldžas po truputį auga disko sąskaita (techniškai, struktūra, susidariusi disko centrui sferiškėjant, vadinama pseudobaldžu). Vien šie procesai tikrai negali paaiškinti, kaip į galaktikos centrinę dalį patenka dujos, kurios iš tarpgalaktinės erdvės įkrenta ne tiesiai to centro link.

Vienas būdas perkelti dujas į galaktikos centrą – skersė. Taip vadinama pailga struktūra, susidaranti galaktikos diske ir kertanti jos centrą. Skersė yra natūralus galaktikos disko evoliucijos produktas, kaip ir spiralinės vijos. Jos formavimasis netgi susijęs su vijomis: pastarosios yra tankio bangos, sklindančios diske. Pasiekusios disko centrą, bangos atsispindi. Taip pat jos atsispindi nuo vadinamo korotacijos spindulio – atstumo, ties kuriuo žvaigždžių ar dujų judėjimo periodas diske sutampa su vijos sukimosi periodu. Bangų esama įvairaus ilgio. Dauguma jų, vis atsispindėdamos, pasinaikina, bet kai kurios ima augti. Šios augančios bangos vis stipriau traukia aplinkines dujas, kol galiausiai aplink galaktikos centrą suformuoja pailgą elipsoidą.

Žvaigždės, patekusios į skersę, ima judėti pailgomis orbitomis, kurių tolimiausias taškas nuo galaktikos centro gali siekti kelis kiloparsekus, o artimiausias – kelis šimtus parsekų. Centrinėje skersės dalyje orbitų pobūdis pasikeičia – kai kurios žvaigždės gali judėti elipsėmis, statmenomis skersės ilgajai ašiai. Taip žvaigždė, kadaise buvusi galaktikos diske, gali priartėti vos per šimtą parsekų nuo juodosios skylės. Tiesa, taip nutinka labai retai, nes žvaigždei sudėtinga peršokti iš vieno tipo orbitos į kitą.

Tikėtinas dujų judėjimas galaktikoje NGC 1672. Šaltinis: Elmegreen (2012), Hubble Heritage Team

Dujų judėjimas skersėje šiek tiek panašus, tačiau jam įtakos turi dar vienas labai svarbus aspektas. Dujų srautai negali prasilenkti: jei tik susiliečia, jie susiduria ir susispaudžia. Taigi dujos, atlekiančios iš galaktikos disko, gali susidurti su jau esančiomis centrinėje dalyje, sulėtėti ir nukristi į artimesnę orbitą. Ne vienoje galaktikoje, taip pat ir mūsų Paukščių Take, matomi tokie dešimčių-šimtų parsekų mastelio žiedai, juosiantys centrą.

Aplinkbranduolinis žiedas galaktikoje NGC 1068, nufotografuotas ALMA teleskopų masyvu. Keturios iliustracijos rodo to paties regiono vaizdą, stebint skirtingų molekulių spektro linijas. Stipriausia yra ^{13}CO spinduliuotė, nes šių molekulių daugiau, nei kitų trijų. Nuotraukų mastelis – 1 kampinė sekundė atitinka 70 parsekų, taigi žiedo skersmuo – apie 2 kiloparsekus. Šaltinis: Takano et al. (2014)

Skersė formuojasi ne kiekvienoje galaktikoje. Jei galaktika turi masyvų baldžą, skersę kuriančios bangos negali augti. Taip pat nutinka, jei galaktikos disko masė yra nedidelė, ir spiralinių vijų bei kitokie nestabilumai nesukuria pakankamai gravitacijos, kad galėtų išsilaikyti ir augti. Kartais sunku atskirti galaktikos skersę nuo baldžo, ypač jei galaktiką matome iš šono. Visgi pailgos dujų orbitos yra gana geras rodiklis, kad skersė egzistuoja.

Nesvarbu, ar galaktika turi skersę, ar baldžą, ar abu, dujų srautai centrinėje dalyje susikirtinėja ir susispaudžia. Panašiai kaip spiralinėse vijose, taip ir centrinėje dalyje suspaudimas gali sukelti žvaigždėdarą. Tiesa, lengviau kylanti žvaigždėdara dujas greičiau ir suvartoja, todėl, jei į centrą dujos nemigruoja iš tolesnių regionų, ten jos palyginus greitai pasibaigia, o žvaigždės baldže būna senos. Jei dujų migracija vyksta – dažniausiai dėl skersės egzistavimo – centrinėje galaktikos dalyje galima rasti įvairaus amžiaus žvaigždžių. Štai, pavyzdžiui, Paukščių Tako baldže dauguma žvaigždžių yra senos, daugiau nei 10 milijardų metų amžiaus, bet egzistuoja ir reikšminga 3-6 milijardų metų amžiaus populiacija, atitinkanti skersę.

Dar arčiau centro pasiekiame aplinkbranduolinį žiedą, susiformavusį veikiant skersės gravitacijai. Kaip minėjau, jo spindulys gali būti kelios dešimtys ar keli šimtai parsekų. Šios dujos dažniausiai dar nejaučia centre esančios supermasyvios juodosios skylės gravitacinės įtakos – pastaroji dominuoja iki kelių dešimčių parsekų atstumu, išskyrus pačiose didžiausiose galaktikose (daugiau apie tai, kad galaktikos nesisuka aplink savo juodąsias skyles, esu rašęs čia). Ir visgi dalis dujų gali priartėti dar arčiau. Taip nutinka dėl kelių priežasčių. Visų pirma, gravitacinis potencialas ir ten yra ne visai lygus ir tvarkingas, tad jame gali susidaryti įvairūs nestabilumai, panašūs į tuos, kurie formuoja disko vijas ar skersę. Antra, dujų srautas taip pat nėra visai tolygus, jame formuojasi sutankėjimai ir fragmentai – molekuliniai debesys, kurie kartais gali susidurti, o susidūrimo metu dalis dujų gali reikšmingai sulėtėti. Trečia, tie patys debesys bei žvaigždžių spiečiai yra santykinai tankūs ir masyvūs, todėl artimi jų praskridimai gali reikšmingai pakreipti kitų dujų orbitas. Pastarasis procesas, beje, veikia ir žvaigždėms – jos irgi gali būti išmestos iš savo įprastų orbitų.

Paukščių Tako Centrinė molekulinė zona – aplinkbranduolinis maždaug 100 parsekų spindulio žiedas, juosiantis Galaktikos centrą. Žiedas susideda iš įvairių debesų ir pailgų tankių dujų gijų. Šaltinis: Susan Stolovy (SSC/Caltech) et al., NASA SPitzer/IRAC

Priartėjusias prie centrinės juodosios skylės dujas ima reikšmingai veikti šio objekto gravitacija. Traukos skirtumas tarp artimesnio ir tolimesnio krašto gali greitai išardyti bet kokį dujų debesį ir paversti jį pailgu srautu. Tas srautas susisuka, ar bent jo dalis, susisuka aplink juodąją skylę, dujų orbitos ima kirstis tarpusavyje, susidūrusios jos įkaista. Tolesnė evoliucija labai priklauso nuo dujų tankio. Jei jos yra pakankamai tankios, gali atvėsti – tada aplink juodąją skylę susiformuoja plonas akrecinis diskas. Jei tankis mažas, jos išlieka karštos, šiluminis slėgis efektyviai priešinasi gravitacijai ir susidaro storas akrecinis srautas (kaip formuojasi ir vystosi diskai, kadaise rašiau čia). Sistema, susidedanti iš supermasyvios juodosios skylės ir į ją krentančių bei aplink esančių dujų struktūrų vadinama aktyviu galaktikos branduoliu, o galaktika, turinti tokį branduolį – aktyvia.

„Akrecija“ yra medžiagos kritimas ant dangaus kūno. Iš tiesų terminas į astronomiją atėjo iš geologijos, kur jis reiškia tektoninės plokštės augimą. Medžiaga, krintanti į juodąją skylę, praranda energiją, nes tampa vis labiau gravitaciškai surišta su masyviuoju kūnu. Apskritai, žinoma, energija niekur nedingsta – dalis gravitacinio ryšio (potencinės) energijos virsta judėjimo (kinetine) energija – dujos juda vis greičiau. Kita dalis potencinės energijos virsta šilumine – dujos įkaista – o dalis jos yra išspinduliuojama. Ploname akreciniame diske išspinduliuojama praktiškai visa šiluminė dujų energija, storame sraute – tik nedidelė dalis. Plonu disku į juodąją skylę krisdamos dujos išspinduliuoja nuo penkių iki 42% rimties masės energijos (tos, kuri apskaičiuojama garsiąja formule E = mc^2) – tiksli vertė priklauso nuo juodosios skylės sukimosi spartos. Iš storų srautų sklindanti spinduliuotė paprastai sudaro gerokai mažiau nei vieną procentą įkrentančios medžiagos rimties masės energijos. Bet stori srautai turi kitą dažną bruožą – čiurkšles.

Čiurkšlės atsiranda todėl, kad visos dujos kosmose yra šiek tiek įsimagnetinusios, o joms sukantis į siaurą sūkurį aplink juodąją skylę, kartu susisuka ir magnetinio lauko linijos. Kartais, ypač storo srauto atveju, magnetinės linijos suformuoja piltuvą išilgai sukimosi ašies, per kurį medžiaga gali pabėgti tolyn nuo juodosios skylės. Ir ne šiaip sau pabėgti, o įgreitėti beveik iki šviesos greičio. Čiurkšlė gali išsiveržti net iš galaktikos ir palaikyti tarpgalaktinių dujų karštį – apie tai šiek tiek rašiau pirmoje dalyje. Jei čiurkšlė nėra labai stipri, arba jei ji nukreipta į galaktikos diską, ar jos kelyje pasitaiko daug tankių dujų debesų, ji gali sustoti ir arčiau, ir paveikti tarpžvaigždines dujas galaktikoje.

Aktyvios galaktikos NGC 4261 čiurkšlės (kairėje, oranžinis vaizdas rodo radijo spinduliuotę) driekiasi 27 kiloparsekus nuo galaktikos centro; aktyvų branduolį maitina dujos iš aplinkbranduolinio žiedo, kurio skersmuo – mažiau nei 100 parsekų (dešinėje). Šaltinis: NRAO, Cal Tech, Walter Jaffe/Leiden Observatory, Holland Ford/JHU/STScI, NASA

Aktyvus branduolys turi ir kitokį poveikį tarpžvaigždinėms dujoms. Gali pasirodyti keista, bet spinduliuotė pati savaime greičiausiai dujas paveikia nežymiai. Aktyvias galaktikas mes matome – tai reiškia, kad didelė dalis jų fotonų pabėga iš galaktikos, nes priešingu atveju tie fotonai nepasiektų mūsų teleskopų. Iš tiesų, apskaičiavus, kokį poveikį spinduliuotės sukuriamas kaitinimas bei fotonų slėgis gali turėti aplinkinėms dujoms, paaiškėja, kad poveikis reikšmingas tik tada, jei dujos yra dulkėtos. Dulkės (apie kurias parašysiu kada nors ateityje) žymiai efektyviau sugeria ultravioletinius fotonus, kurie paprastai sudaro pagrindinę aktyvaus branduolio spinduliuotės dalį. Jei dulkės kartu nusitempia ir dujas, susidariusios tėkmės gali reikšmingai paveikti galaktiką. Iš kitos pusės, tėkmė, susidurdama su kitomis dujomis, turėtų įkaisti tiek, kad visos dulkės išgaruotų.

Visgi tėkmės galaktikose egzistuoja. Jos aptinkamos daugelyje aktyvių ir kai kuriose neaktyviose galaktikose. Dažnai jų energija ir masės pernašos sparta – masė, išstumiama tolyn per laiko vienetą – yra tokios didelės, kad paaiškinti kitaip nei aktyvių branduolių poveikiu, neįmanoma. Ryšys tarp aktyvaus branduolio ir visos galaktikos greičiausiai atsiranda per tarpininką – akrecinio disko vėją. Disko dujų spinduliuotė gali įgreitinti dalį dujų, esančių to paties disko paviršiuje, ir išmesti jas didžiuliais greičiais į platesnę galaktinę aplinką. Toks vėjas, priešingai nei čiurkšlė, sklinda plačiu kampu – beveik sferiškai visomis kryptimi nuo aktyvaus branduolio. Jis taip pat yra lėtesnis už čiurkšlę, bet vis tiek greitas – stebimų vėjų greičiai siekia nuo kelių tūkstančių iki beveik šimto tūkstančių kilometrų per sekundę, arba trečdalio šviesos greičio. Toks vėjas, pasiekęs aplinkines dujas, atsimuša į jas, sulėtėja, įkaista, ir ima stumti medžiagą tolyn. Plačiau apie šį ir kitus aktyvaus branduolio poveikio būdus rašiau čia.

Tėkmės išstumia medžiagą tolyn nuo centro. Dalis medžiagos gali nukristi į diską, panašiai kaip galaktiniame fontane. Kita dalis palieka galaktiką ir gali negrįžti milijardus metų. Dalis dujų suslėgtos ima sparčiau formuoti žvaigždes. Taigi šis procesas gali labai paveikti visos galaktikos evoliuciją.

Taip pat didžiulį poveikį galaktikos formai ir dujų judėjimui turi galaktikų sąveikos. Toli nuo kitų esanti galaktika vystosi palengva, pokyčiai trunka milijardus metų; juos vadiname „sekuliariais“. Bet jei netoliese praskrenda kita galaktika, arba jei galaktika įkrenta į spiečių, nutinka bent du svarbūs pokyčiai. Visų pirma, pasikeičia gravitacinis potencialas. Net nedidelio iškreipimo gali pakakti, kad dalis disko dujų pabėgtų iš galaktikos arba nukristų į centrą, arba kad halo dujų srautai susidurtų ir nukristų gilyn, arba… Padarinių įvairovė didžiulė. Antras pokytis – aplinkgalaktinės medžiagos tankis. Spiečiuose jis daug didesnis, nei tarp jų, taigi galaktiką ima veikti priešpriešinis vėjas. Jis gali nupūsti dalį dujų tolyn – tada už galaktikos susiformuoja ilga uodega. Tokios galaktikos vadinamos „medūzomis“. Kitas dujas šis vėjas gali suspausti ir taip paspartinti žvaigždėdarą.

Medūziška galaktika ESO 137-001. Šaltinis: ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / P. Jachym et al

Dar didesni pokyčiai nutinka, jei galaktikos susilieja. Tam nebūtinai reikia susidurti kaktomuša. Arti viena kitos pralėkdamos galaktikos gali sukibti gravitaciškai; tada jų susiliejimas yra tik laiko klausimas. Gravitacija, skirtingai stipriai tempianti priešingus kiekvienos galaktikos šonus, jas ištempia, pakraštinės dujos priartėja viena prie kitos ir ima sąveikauti, galaktikų orbitos traukiasi, kol galiausiai jos susiduria. Susidūrimo nereikėtų įsivaizduoti kaip katastrofos, kurios metu viena į kitą daužosi žvaigždės: galaktikose tuščios erdvės daug daugiau, nei žvaigždžių, taigi tikimybė, kad dvi žvaigždės prasilenks pakankamai arti, kad suardytų viena kitos planetines sistemas (ką jau kalbėti apie tiesioginį žvaigždžių susidūrimą), labai menka. Visgi susidūrimas visiškai pakeičia dujų orbitas, nes jų srautai prasilenkti negali. Tvarkingos orbitos virsta chaotiškomis, srautų susidūrimai daugybę kartų paspartina žvaigždėdarą, dalis dujų nukrenta ir į centrą bei suaktyvina branduolį. Tiesa, kol kas nėra iki galo aišku, kiek galaktikų susiliejimai reikšmingi branduolio aktyvumui. Priklausomai nuo to, pagal kokius kriterijus identifikuosime aktyvias galaktikas, susiliejimo ar kitokios perturbacijos požymių matyti nuo šeštadalio iki 60% iš jų.

Iš kitos pusės, gerai žinoma, kad susiliejimai ilgainiui pakeičia galaktikų formą ir dujų kiekį. Susiliejimo metu ir dujų, ir žvaigždžių orbitos tampa labiau triašės – diskas nyksta, baldžas auga. Jei jungiasi panašaus dydžio galaktikos, diskai gali išnykti visiškai ir susiformuoja elipsinę galaktiką (šiek tiek plačiau apie galaktikų susiliejimus rašiau čia). Paspartėjusi žvaigždėdara suvartoja dujas, o kurių nesuvartoja, tas išmeta lauk iš galaktikos, taigi vėliau galaktikoje žvaigždžių formavimasis praktiškai sustoja. Iš mėlynos – kupinos jaunų žvaigždžių – galaktika tampa raudona – pasenusia. Žinoma, kada nors į ją gali vėl įkristi dujų ir visa kelionė prasidėti iš naujo, bet tam gali prireikti milijardų metų.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.