Kąsnelis Visatos CDXLVI: Krateriai

Asteroido smūgis į dangaus kūną gali būti katastrofiškas įvykis – tiek pačiam objektui, tiek visai kosminei aplinkai, kuri ilgam prisipildo šiukšlių. Bet sukurtas krateris gali ateityje pasitarnauti objekto tyrimams ir jo istorijos supratimui. Tokie yra keli pranešimai iš praėjusios savaitės: apie Cererą, Psichę ir Ganimedą. Taip pat minimi Mėnulio krateriai, kuriuos gali užkloti vandens molekulės, išlekiančios iš ant Mėnulio besileidžiančių mūsų kosminių aparatų. Kitose naujienose – išspręstas Betelgeizės užtemimas, greičiausia žinoma žvaigždė ir nykštukinių galaktikų žvaigždėdaros istorijos. Gero skaitymo!

***

Nusileidimų pavojus Mėnulio tyrimams. Mėnulio paviršiuje, netoli ašigalių esančiuose krateriuose, yra daug vandens ledo. Jis bus labai naudingas palydovą tyrinėsiantiems žmonėms ir kolonistams, kaip vandens ir raketinio kuro šaltinis. Tačiau kartu tai yra neįkainojama informacijos apie Mėnulio evoliuciją saugykla, kurią derėtų nuodugniai ištirti. Naujame tyrime parodyta, kad tą padaryti gali būti gana sudėtinga, nes kiekvienas Mėnulyje nusileidžiantis erdvėlaivis užteršia ledo sankaupas. Mėnulio gravitacija silpna, o atmosferos ten nėra, tad nusileidimo metu iš erdvėlaivio išmetamos dujos – tie patys vandens garai – gali pasklisti labai toli. Pasitelkę skaitmeninius modelius, mokslininkai nustatė, kad per mažiau nei 24 valandas po nedidelio erdvėlaivio, keturis kartus mažesnio už Apollo Mėnulio modulį, nusileidimo, vandens molekulės pasklinda po visą palydovo paviršių. Apie pusę molekulių išlieka ant paviršiaus ilgą laiką, o maždaug penktadalis galiausiai nusėda ašigaliniuose krateriuose. Šie skaičiai yra gana dideli; nors vieno nusileidimo metu paleidžiamų vandens garų tėra kelios dešimtys kilogramų, laikui bėgant jie gali padengti kraterių ledą reikšmingu taršos kiekiu. Taigi ištirti Mėnulio vandens istoriją gali būti gana sudėtinga. Tiesa, modelių rezultatai priklauso nuo prielaidų apie vandens molekulių kibumą prie Mėnulio paviršiaus. Šio parametro vertės kol kas nežinome, taigi ateityje stebėjimai, atliekami prieš erdvėlaivio nusileidimą ir po jo, gali pagerinti žinias apie regolito sąveiką su vandeniu. Tyrimo rezultatai publikuojami JGR Planets.

***

Žemė kaip egzoplaneta. 2019 metų sausio mėnesį Hablo kosminiu teleskopu pirmą kartą uolinės planetos atmosferoje aptiktas ultravioletinis ozono signalas. Nenustebkite – tai nėra pasaulį apverčianti žinia, kurią kažkodėl pražiopsojo visos žiniasklaidos priemonės. Tiesiog ta planeta – mūsų Žemė, o aptikimas padarytas Mėnulio užtemimo metu stebint Mėnulio paviršių. Tokia įdomi strategija pasirinkta, nes būtent Mėnulio užtemimo metu ant palydovo patenka tik šviesa, praėjusi pro Žemės atmosferą, taigi toks stebėjimas daug kuo primena egzoplanetos atmosferos stebėjimą jos tranzito metu. Būtent tada įmanoma nustatyti, kokių cheminių elementų ar junginių esama atmosferoje, nes jie sugeria dalį žvaigždės spinduliuotės, kurios neužstoja pati planeta. Ateities teleskopai tokius stebėjimus vykdys nuolatos, tad svarbu ištobulinti algoritmus, kurie leistų efektyviai apdoroti gaunamą informaciją. Būtent tai ir buvo pagrindinis šio darbo tikslas. Pernai sausį vykusio užtemimo metu Hablas buvo nukreiptas į Mėnulį ir stebėjo jį ir užtemimo maksimumo metu, ir Mėnuliui nyrant iš Žemės šešėlio. Šviesos atsispindėjimas nuo Mėnulio sukėlė papildomų paklaidų, tačiau vis tiek pavyko identifikuoti ir ozono signalą ties maždaug 300 nanometrų bangos ilgiu, ir Rayleigh sklaidą, dėl kurios dangus atrodo mėlynas. Vien šie signalai nebūtų užtikrintas gyvybės egzistavimo kitoje planetoje įrodymas, tačiau jie suteiktų rimtą pagrindą detalesnei analizei. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Asteroidų kasinėjimas kol kas realybe netapo, tačiau perspektyvų turi. Apie tai, ką ir kaip įmanoma išgauti iš asteroidų, pasakoja Kurzgesagt:

***

Ultravioletiniai Marso atmosferos žybsniai. Jei galėtume matyti ultravioletinę spinduliuotę, naktiniame Marso danguje galėtume stebėti pašvaistes, panašiai stiprias, kaip Šiaurės pašvaistė Žemėje. Tokia išvada padaryta išnagrinėjus NASA zondo MAVEN duomenis apie procesus, vykstančius Raudonosios planetos atmosferoje. Ultravioletinė šviesa kyla iš azoto ir deguonies atomų reakcijų naktinėje planetos pusėje; kuo spartesnės reakcijos, tuo stipresnė ir šviesa. Švytėjimas prasideda iškart po saulėlydžio, kai dujos ima leistis į žemesnius atmosferos sluoksnius ir, pasiekusios 70 kilometrų aukštį virš planetos paviršiaus, pradeda sąveikauti. Planetos sukimasis bei dominuojantys vėjai lemia, kad švytėjimas juda danguje maždaug 300 kilometrų per valandą greičiu. Taip pat įdomu, kad kiekvieną naktį įvyksta trys švytėjimo sustiprėjimai – tai yra natūralus Marso atmosferos rezonanso dažnis, nulemiamas Saulės šviesos, planetos sukimosi ir paviršiaus struktūrų. Taigi daugelis atmosferinių reiškinių sustiprėja tris kartus per Marso parą, o šis – ne išimtis. Tyrimo rezultatai publikuojami JGR Space Physics.

***

Popaviršinis Cereros vandenynas. Ne vienerius metus aplink nykštukinę planetą Cererą skraidęs zondas Dawn atskleidė daugybę jos paviršiaus įdomybių. Viena jų – šviesios zonos kraterių dugne. Jau seniau žinoma, kad tai yra druskų sankaupos, ir kad jos turi būti gana jaunos, nes jų nespėjo uždengti mikrometeoritų pakeltos dulkės. Dabar detali surinktų duomenų analizė parodė, kad druskos į kraterius sunkiasi iš Cereros gelmių, o po paviršiumi greičiausiai egzistuoja didžiulis vandenynas. Bet koks druskingo vandens telkinys, atsiradęs Cereros paviršiuje, greitai taptų vos drėgnomis druskomis, o per šimtus metų – sausomis druskų nuosėdomis, nes visas vanduo paprasčiausiai išgaruotų. Didžiausi druskų telkiniai, aptikti Okatoriaus („Akėtojo“) krateryje, yra drėgni, taigi jie negali būti senesni, nei kelių šimtų metų amžiaus. Pats krateris yra daug senesnis, taigi druskų telkiniai tikrai neatsirado kraterio susiformavimo metu. Tikėtiniausia jų kilmė – vanduo, besisunkiantis į kraterį iš gilesnių Cereros sluoksnių. Tiesa, kraterio atsiradimas vis tiek buvo svarbus – greičiausiai smūgio metu planetėlės paviršiaus uolienose susidarė gilūs trūkiai, leidę vandeniui pakilti aukštyn. Tai ne vienintelis vandens egzistavimo įrodymas: paviršiuje aptikta ir pingų – stingstančio vandens suformuotų kūginių kalnų, kurie būdingi Žemės arktiniams regionams. Didesniu masteliu Dawn pateikė duomenų apie Cereros gravitacinį lauką, kurie leido nustatyti plutos tankio priklausomybę nuo gylio. Iš šių skaičiavimų paaiškėjo, kad po Okatoriaus krateriu egzistuoja bent 40 kilometrų gylio ir šimtų kilometrų skersmens sūrymo telkinys. Kol kas neaišku, kaip tas vandenynas atsirado – ar išliko nesustingęs nuo Cereros susiformavimo, ar ištirpo po kokio stipraus smūgio. Tyrimų rezultatai aprašyti net aštuoniuose naujuose straipsniuose, kurie publikuojami Nature grupės žurnaluose; visą kolekciją, komentarus ir nuorodas į senesnius susijusius tyrimus rasite čia.

***

Asteroido Psichės kilmė. Asteroidas Psichė yra didžiausias metalinis kūnas Asteroidų žiede. Nors gerai žinome, kad jo paviršiuje yra daug metalų, apie gilesnę sandarą vis dar išlieka daug klausimų. Įvairūs objekto tankio vertinimai svyruoja nuo 1,4 iki 4,5 gramų į kubinį centimetrą (vandens tankis yra 1 gramas į kubinį centimetrą, Žemės – 5,5). Naujame tyrime šiuos neaiškumus bandoma išspręsti pasitelkus skaitmeninius dvimačius ir trimačius modelius. Jais bandoma atkurti didžiausio Psichės kraterio, kurio skersmuo siekia net 70 km (pačios Psichės vidutinis spindulys tėra 112 km), formavimąsi. Geriausiai stebimas kraterio savybes pavyko atkurti modelyje, kuriame Psichė sudaryta pagrinde iš metalų, tačiau yra 30-50% porėta. Tai reiškia, kad tarp trečdalio ir pusės Psichės tūrio yra tiesiog tuščia erdvė. Smūgį sukėlusio objekto trajektorija palydovo paviršių turėjo pasiekti 45-60 laipsnių kampu nuo vertikalės. Šis atradimas patikslina asteroido savybes ir padės geriau paruošti NASA misiją į šį kūną, kurios pakilimas planuojamas 2022 metų liepą. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Milžiniškas smūgis Ganimedo praeityje. Jupiterio palydovo Ganimedo paviršių dengia šviesesnės ir tamsesnės medžiagos sluoksniai. Šviesesnė medžiaga yra šiek tiek jaunesnė, nors ir viena, ir kita datuojamos Saulės sistemos jaunyste. Tamsiose zonose matomos plutos raukšlės, kurios įprastai interpretuojamos kaip senovinių tektoninių procesų – pavyzdžiui, Jupiterio gravitacijos keliamų potvyninių deformacijų – palikimas. Bet naujame tyrime pateikiami įrodymai, kad raukšlės galėjo atsirasti milžiniško smūgio metu. Ištyrę geriausias dabartines Ganimedo nuotraukas, mokslininkai nustatė, kad beveik visos raukšlės yra koncentriškos, tarsi daugelio apskritimų dalys. Potvyninis gniuždymas ir tampymas turėtų sukurti atsitiktinai išsidėsčiusias raukšles, tad daug geresnis paaiškinimas yra milžiniškas smūgis, sukrėtęs visą palydovą jo jaunystėje. Skaitmeniniais modeliai tyrėjai parodė, kad į Ganimedą pataikęs objektas turėjo būti maždaug 150 kilometrų skersmens. Susiformavęs krateris, susidedantis iš daug koncentriškų žiedų, būtų kone 15 tūkstančių kilometrų skersmens; palyginimui, Ganimedo skersmuo siekia maždaug 5200 kilometrų, kitaip tariant, krateris apimtų beveik visą Ganimedą. Iki šiol didžiausias žinomas koncentrinis krateris yra kitame Jupiterio palydove Kalistoje – Valhalos kraterio skersmuo siekia 3800 km. Smūgis įvyko prieš maždaug keturis milijardus metų. Vėliau susiformavusios šviesios Ganimedo paviršiaus zonos uždengė ar sunaikino daugumą raukšlių, bet neišardė likusiųjų. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

Gimstančios žvaigždės Tauro molekuliniame debesyje. Šaltinis: Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Tokuda et al., ESA/Herschel

Žvaigždės gimsta iš tarpžvaigždinių dujų debesų, kurie, veikiami savo gravitacijos ir turbulencijos, fragmentuoja, o fragmentai traukiasi ir įkaista. Kiekvienos žvaigždės formavimasis yra savitas, todėl vienu metu debesyje gali būti ir pradedančių formuotis, ir jau įsižiebusių žvaigždžių. Nauji ALMA teleskopu atlikti stebėjimai atskleidžia tokių žvaigždžių įvairovę Tauro molekuliniame debesyje. Ištyrę 41 dujų sutankėjimą, mokslininkai devyniuose aptiko žvaigždes, o likusiuose jų dar nėra. Tiesa, 12 iš 32 bežvaigždžių sutankėjimų skleidžia radijo bangas, kaip ir visos žvaigždės, taigi galimai yra labiau evoliucionavę, nei kiti 20. Stebėjimai parodė, kad egzistuoja gana universali tankio riba, kurią viršijus dujų sutankėjimas ima virsti identifikuojama žvaigžde.

***

Betelgeizė pritemo dėl išsiveržimo? Praėjusių metų pabaigoje Betelgeizė, Oriono petis, ėmė temti. Iki vasario jos šviesis sumažėjo bene trigubai, o vėliau atsistatė. Iškelta daugybė hipotezių apie pritemimo priežastį – pokyčiai žvaigždėje, besiruošiančioje sprogti supernova, magnetinio lauko rekonfigūracija ir taip toliau. Dabar nauja Hablo teleskopo stebėjimų analizė atskleidė, kad greičiausiai žvaigždė pritemo tiesiog todėl, kad išmetė daug dujų, kurios ekranavo jos šviesą. Pernai rugsėjo-lapkričio mėnesiais Betelgeizės pietinis pusrutulis pašviesėjo ultravioletinių spindulių ruože, o spektro linijos parodė, kad iš žvaigždės sklinda didelis medžiagos srautas. Apskritai tokios žvaigždės, kaip Betelgeizė – masyvios ir artėjančios prie gyvenimo pabaigos – išmeta daug medžiagos, bet šis išsiveržimas buvo keturis kartus stipresnis, nei įprastas vėjas, ir lokalizuotas tik pietinėje žvaigždės pusėje. Įvertinę, kiek plazmos galėjo išlėkti iš žvaigždės, tyrėjai nustatė, kad plėsdamasi ir vėsdama ji tikrai galėjo užstoti maždaug du trečdalius žvaigždės disko ir sukelti regimą pritemimą. Vėliau medžiaga išsisklaidė ir regimasis žvaigždės šviesis grįžo į įprastinį. Dar vienas šio atradimo įdomumas – medžiaga iš žvaigždės pabėgo ne per ašigalius, kaip prognozuoja įprasti masyvių žvaigždžių vėjų modeliai. Tai reiškia, kad masyvių žvaigždžių gelmėse vykstantys procesai yra sudėtingesni, nei manyta iki šiol. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Greičiausia žinoma žvaigždė. Žvaigždės galaktikose įprastai juda šimtų kilometrų per sekundę greičiu galaktikos masės centro atžvilgiu. Kai kurios žvaigždės yra daug greitesnės – tankiose aplinkose, kur veikia stipri gravitacija, didesni yra ir greičiai. Mūsų Paukščių Take greičiausios žvaigždės aptinkamos pačiame centre, orbitose aplink supermasyvią juodąją skylę Šaulio A*. Naujame darbe pristatoma nauja greičio ir atstumo nuo Šaulio A* rekordininkė. Ši žvaigždė įvardijama tik katalogo numeriu S62 – raide „S“ ir skaičiumi žymimos būtent pačiam centriniam būriui aplink supermasyvią juodąją skylę priklausančios žvaigždės. Ilgą laiką buvo manoma, kad arčiausiai Šaulio A* skrieja S2, vieną ratą apsukanti per kiek daugiau nei 16 metų; 2018 metais ji praskriejo arčiausią juodajai skylei orbitos tašką, o šio įvykio stebėjimai padėjo patikrinti reliatyvumo teorijos prognozes. S62 orbitos periodas, pagal naujausius stebėjimus, yra trumpesnis nei dešimt metų. Nors žvaigždė atrasta dar 2009 metais, pakankamai duomenų orbitos parametrams nustatyti surinkta tik dabar. Arčiausiai prie juodosios skylės S62 praskrieja mažesniu nei 20 astronominių vienetų atstumu – panašiai, kaip Uranas aplink Saulę. Artimiausiame taške žvaigždės greitis pasiekia 8% šviesos greičio, arba 24 tūkstančius kilometrų per sekundę. Toks didelis greitis bei stipri Šaulio A* gravitacija iškreipia ir erdvę aplink žvaigždę, todėl jos orbita gerokai neatitinka keplerinės, apskaičiuojamos remiantis klasikine Niutono gravitacija. Keplerinė orbita yra uždara – apsukusi vieną ratą, žvaigždė grįžtų į tą patį tašką erdvėje, jei neskaičiuotume kitų žvaigždžių poveikio. Tuo tarpu S62 orbita per vieną ratą „pasisuka“ maždaug dešimčia laipsnių. Toks efektas buvo viena pagrindinių bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių, prieš šimtą metų paaiškinusi Merkurijaus judėjimo anomalijas. S62 atveju orbitos pasislinkimas yra daug didesnis, bet taip pat puikiai atitinka prognozuojamą. Tolesni žvaigždės stebėjimai turėtų parodyti, kiek ją pačią deformuoja kiekvienas artimas skrydis pro Šaulio A*, o tai padės pagerinti ir žvaigždžių struktūros modelius. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Žvaigždėdara mažiausiose galaktikose. Visatoje žvaigždės sparčiausiai formavosi prieš dešimt milijardų metų, o vėlesniais laikais – vis lėčiau. Tačiau pavienėms galaktikoms ši tendencija dažniausiai negalioja: kai kurios žvaigždes sparčiai formuoja ir šiandien, kitos sustojo labai seniai, trečios formavo žvaigždes žybsniais, ir taip toliau. Nykštukinės galaktikos taip pat pasižymi didžiule žvaigždėdaros įvairove, o įdomiausios iš jų yra tos, kurios žvaigždes formavo Visatos jaunystėje, vėliau nustojo, o po keleto milijardų metų pradėjo formuoti iš naujo. Naujame tyrime pristatomi skaitmeninių modelių rezultatai, paaiškinantys tokį elgesį. Apsiriboję galaktikomis, kurių šiandieninė žvaigždžių masė nesiekia milijono Saulės masių (palyginimui, Paukščių Take yra maždaug 200 milijardų Saulės masių žvaigždžių), tyrėjai galėjo pasiekti labai aukštą modelių raišką ir tyrinėti vos trijų parsekų dydžio regionus. Tai leido sekti, kaip dujos pabėga iš galaktikų ir jose kaupiasi bei kaip virsta žvaigždėmis. Ištirti keturi galaktikų modeliai ir jų variacijos. Visos galaktikos formuoja žvaigždes pačioje Visatos jaunystėje, bet po kelių šimtų milijonų metų rejonizacija – žvaigždžių ir aktyvių branduolių sukelta vandenilio jonizacija ir temperatūros išaugimas didžiojoje dalyje Visatos tūrio – sustabdo jose žvaigždėdarą. Vėliau trys iš keturių galaktikų po truputį kaupia dujas, bet formuoti naujas žvaigždes joms trukdo jau egzistuojančių žvaigždžių vėjai ir kartais sprogstančios supernovos. Galiausiai dvi iš trijų vėl ima formuoti žvaigždes, o trečioji tam yra per maža. Pagrindiniai skirtumai tarp galaktikų yra tamsiosios materijos halo masės augimo sparta ir skirtinga grįžtamojo ryšio procesų (ypač supernovų sprogimų) istorija, taigi net vidutiniais parametrais panašios galaktikos gali turėti labai skirtingas žvaigždėdaros istorijas. Šis rezultatas gerai atitinka stebėjimus ir padeda suprasti nykštukinių galaktikų įvairovę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Dirbtinis intelektas klasifikuoja galaktikas. Vis gerėjantys dirbtinio intelekto algoritmai leidžia automatizuoti įvairias užduotis, kurios dar prieš keletą metų buvo patikimos žmonėms. Viena iš jų – galaktikų formų klasifikavimas. Prieš keliolika metų pradėtas piliečių mokslo projektas „Galaxy Zoo“ buvo skirtas šiam uždaviniui atlikti, nes žmonės vos per kelias minutes galėjo išmokti atskirti spiralines, elipsines ir kitokias galaktikas, o kompiuteriai to padaryti nepajėgė. Dabar situacija apsivertė aukštyn kojomis – naujame tyrime pristatytas algoritmas, automatiškai atskiriantis galaktikų spiralines vijas ir jų kryptis. Algoritmas pritaikytas Japonijos kosminio teleskopo Subaru duomenims analizuoti; šiuo teleskopu darytos nuotraukos yra daug tikslesnės, nei plačiosios SDSS dangaus apžvalgos, tad jose galima įžiūrėti daug tolimesnes galaktikas. Iš pradžių algoritmas apmokytas naudojant apie 55 tūkstančius galaktikų nuotraukų, kurias klasifikavo žmonės. Tada algoritmas teisingai identifikavo 97,5% bandomųjų nuotraukų. Galiausiai algoritmas pritaikytas analizuojant daugiau nei pusę milijono galaktikų nuotraukų, tarp kurių jis atrado beveik 80 tūkstančių spiralinių galaktikų. Tarp jų yra maždaug po lygiai galaktikų, kurių vijos sukasi pagal laikrodžio rodyklę ir priešingai, taigi bent jau aplinkinėje Visatoje spiralinės galaktikos neturi dominuojančios sukimosi krypties. Daugiau nei pusė spiralinių galaktikų nutolusios daugiau nei 800 megaparsekų – tokiu atstumu esančių galaktikų struktūros SDSS nuotraukose įžiūrėti apskritai neįmanoma. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

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

Laiqualasse

2 komentarai

  1. Sveiki,
    Kokia tos universalios tankio ribos skaitine reiksme kg/ m3, kaip dujos pradeda fragmentuotis j zvaigzde?
    Aciu.

    1. Sveiki, Vytai,

      Panašu, kad ta riba turėtų būti apie 0,3-1 mln. dalelių į kubinį centimetrą, tai atitiktų maždaug 4*10^-15 kg/m^3 (tiksli vertė priklauso nuo dujų cheminės sudėties ir jonizacijos laipsnio, bet neturėtų skirtis daugiau nei kokius tris kartus). Patys tyrimo rezultatai pristatyti šiame straipsnyje: https://arxiv.org/pdf/2006.06361.pdf.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *