Kąsnelis Visatos CDXLIX: Metalai

Astronomus kitų gamtos mokslų atstovai kartais pašiepia, mat mums visi cheminiai elementai, sunkesni už helį, yra metalai. Taip, anglis ir neonas astronomui – metalai, taip pat, kaip ir litis ar geležis. Nepaisant to, būtent šie visi metalai yra labai reikšmingi astronominiams tyrimams, nes padeda suprasti daugybę Visatos paslapčių, o kartais ir atveria naujas technologines galimybes. Praėjusios savaitės naujienose metalus sutinkame keliose vietose: kaip naujo eksperimentinio raketinio kuro pagrindą, Mėnulio sąveikos su Žemės atmosfera įrodymą ir supernovų liekanų poveikio Žemei pėdsaką. Taip pat skaitykite apie didžiausią aptiktą juodųjų skylių susiliejimą, suplėšytą protoplanetinį diską, netikėtai greitai mirgančius kvazarus ir Saulės pritemimų poveikį Marsui. Gero skaitymo!

***

Naujoviškas raketinis kuras? Šiandieninės raketos yra varomos specialiu kuru, dažnai gaminamu iš naftos produktų. Daugelis energiją teikiančių reakcijų atmosferoje palieka įvairių teršalų, tarp jų – ir anglies dvideginio. Taigi egzistuoja ne viena iniciatyva, kuria bandoma sumažinti anglies turinčių junginių naudojimą kosmoso pramonėje. Viena galimybė yra naudoti metalo dulkes – jos gali užsidegti ir degti gana energingai, pakaitintos iki tinkamos temperatūros. Vienintelis reakcijos produktas yra rūdys, kurias lengva surinkti ir atgal išgryninti į metalą. Pagrindinė tokio kuro problema – Žemėje dulkės sukrenta į gumulus, kurie dega labai netolygiai, todėl sunku kontroliuoti reakcijos eigą. Bet mikrogravitacijos sąlygomis šios problemos nebelieka. Neseniai toks kuras buvo išbandytas vykdant Europos kosmoso agentūros projektą PERWAVES – santrumpa reiškia „prasismelkiančios reakcijos-difuzijos bangos“. 2017 ir 2019 metais atliktų bandymų metu pavyko užfiksuoti tvarkingą degimo bangos judėjimą per metalo dulkių bandinį – tai yra svarbus žingsnis kontroliuojamo degimo link. Bandymų metu ieškoma tinkamo dulkių dydžio bei dulkių ir deguonies mišinio proporcijų, kurios užtikrintų geriausią degimą. Po šių sėkmingų eksperimentų, mėginius ketinama tyrinėti Tarptautinėje kosminėje stotyje, o vėliau jie gali tapti svarbia kosminių skrydžių dalimi. Tyrimo rezultatai publikuojami Acta Astronautica.

***

Mėnulis rūdija. Geležis ypatingai lengvai reaguoja su deguonimi – su tuo susiduriame kiekvienas, kai rūdija metaliniai įrankiai ar prietaisai. Žemėje geležis dažnai randama būtent junginiuose su deguonimi, pavyzdžiui kaip mineralas hematitas. Dabar hematito pirmą kartą aptikta ir Mėnulyje. Mūsų palydove deguonies praktiškai nėra – jis kone visas išgaravo dar Mėnuliui formuojantis. Be to, Mėnulio paviršių nuolat talžo Saulės vėjas, kuriame esantys vandenilio jonai lengvai suardo rūdis ir išlaisvina deguonį. Tad iš kur Mėnulyje hematitas? Atsakymą pasufleravo dvi detalės: hematito daugiau aptikta ten, kur ir vandens ledo, bei artimojoje Mėnulio pusėje. Taigi gali būti, kad hematitas formavosi, kai Saulės vėjas į Mėnulį atnešdavo deguonies iš Žemės atmosferos viršutinių sluoksnių. Taip nutinka tik kelias dienas per mėnesį, kai Mėnulis yra už Žemės ir patenka į planetos magnetinę uodegą, bet per milijardus metų deguonies prisikaupia nemažai. Arčiau palydovo pusiaujo susiformavusį hematitą tas pats Saulės vėjas ir suardo, bet prie ašigalių, ypač krateriuose, nepajėgia. Iš atnešto deguonies bei Saulės vėjo vandenilio gali formuotis ir bent dalis Mėnulio vandens. Šias hipotezes bus galima patikrinti po keleto metų, kai astronautai pargabens mėginių iš ašigalinių Mėnulio regionų – tada laboratorijoje bus galima patikrinti, ar Mėnulyje esantis deguonis yra toks pat, kaip Žemėje. Tyrimo rezultatai publikuojami Science Advances.

***

Užtemimai Marse. Mūsų Mėnulis danguje atrodo panašaus dydžio, kaip ir Saulė, todėl kartais sukelia įspūdingus pilnus Saulės užtemimus. Marso palydovai daug mažesni, bet ir jie gali pritemdyti Saulę, nors ir ne visiškai ją užstoti. Be to, užtemimai Marse vyksta daug dažniau: praktiškai bet kuriame planetos taške esantis stebėtojas Fobo sukeltą dalinį užtemimą matytų vidutiniškai kartą per Žemės metus. Vienas toks stebėtojas yra NASA zondas InSight, tyrinėjantis planetos gelmes. Pirmą kartą užtemimas jo buvimo vietoje įvyko pernai balandį, antrą kartą – lygiai po metų. Šio užtemimo metu pastebėtas įdomus efektas – InSight seismometras truputį pasviro. Taip nutiko, nes atvėsęs paviršius vos vos įdubo, o įduba buvo ne visai simetriška. Šis efektas, patikrintas ir eksperimentais Žemėje, leido nustatyti, kad per užtemimą atvėso tik keli viršutiniai plutos milimetrai. Nieko keisto, nes Saulė buvo pritemdyta tik apie 30 sekundžių. Įdomiau yra tai, kad toks užtemimo identifikavimas gali padėti patikslinti Fobo orbitą. InSight padėtis yra tiksliausiai žinoma koordinatė visame Marse, taigi žinodami, kuriuo metu Fobas atsiduria tiksliai tarp Saulės ir zondo, astronomai galės tiksliau sekti palydovo judėjimą. Tai, savo ruožtu, leis sekti, kaip palydovas artėja prie Marso dėl potvyninių sąveikų. Sąveikos priklauso nuo Marso sandaros – jei Marso gelmės karštos, bangos jose sklinda lengviau ir potvyninė jėga yra stipresnė, negu tuo atveju, jei Marso gelmės šaltos. Tad InSight duomenys gali pasitarnauti Marso gelmių tyrimams net ir tokiu netiesioginiu būdu. Tyrimo rezultatai publikuojami Geophysical Research Letters.

***

Skrydis per supernovos liekaną. Saulės sistema pastaruosius 33 tūkstančius metų skrenda per netoliese sprogusios supernovos liekaną. Tą mokslininkai nustatė, ištyrę nuosėdų sluoksnius vandenynų dugne ir aptikę juose geležies-60 – radioaktyvios geležies atmainos, kuri natūraliai formuojasi tik supernovose. Jau seniai žinome, kad aplink Saulę yra keliasdešimties parsekų skersmens tarpžvaigždinės medžiagos praretėjimas, greičiausiai sukurtas supernovų sprogimų per pastaruosius keletą milijonų metų. Šių sprogimų pėdsakai randami ir Žemėje – tose pačiose vandenynų nuosėdose, kurios rodo, kad supernovos sprogimo bangos pro Žemę pralėkė prieš 6 ir 2-3 milijonus metų. Naujajame tyrime išnagrinėtas paviršinis nuosėdų sluoksnis, kuriame geležies-60 aptikta gerokai mažiau, nei gilesnių sluoksnių pikuose. 33 tūkstančiai metų atitinka laikotarpį, kurį Žemė juda per nedidelį sutankėjimą tarpžvaigždinėje erdvėje. Ar tai reiškia, kad šis sutankėjimas – Vietinis debesis – yra supernovos liekanos dalis? Greičiausiai ne, nes tokiu atveju geležies-60 signalas būtų daug stipresnis, nei aptiktas. Aptiktasis signalas greičiausiai yra tiesiog „aidas“, užsilikusių dalelių iš kelių milijonų metų senumo supernovos srautas. Tyrimo rezultatai publikuojami PNAS.

***

Suplėšytas protoplanetinis diskas. Mūsų Saulės sistema yra labai paplokščia – visos planetos skrieja beveik toje pačioje plokštumoje, vadinamoje ekliptika. Taip yra ne be priežasties: planetos formavosi iš protoplanetinio disko, kuris buvo plokščias. Tačiau jei žvaigždė yra daugianarė, narių gravitacija gali sulankstyti ir netgi suplėšyti diską, tad ir planetos gali formuotis nepanašiose orbitose. Dabar pirmą kartą užfiksuoti tokio suplėšyto disko egzistavimo įrodymai. Oriono GW yra jauna trinarė žvaigždė už 400 parsekų nuo mūsų. Daugiau nei 11 metų trukę stebėjimai leido išsiaiškinti sudėtingą žvaigždę supančio disko struktūrą. Išoriniai disko kraštai yra plokšti – ten trijų žvaigždžių gravitacijos netolygumai yra nereikšmingi. Arčiau nei pora šimtų astronominių vienetų (1 AU yra atstumas nuo Saulės iki Žemės, 150 milijonų kilometrų) diskas išsilenkia ir netrukus nutrūksta visiškai, o maždaug 100 AU atstumu yra atskiras tankus dujų žiedas. Toks žiedas atsiranda, kai žvaigždžių gravitacija iškreipia diską tiek, jog dujų turbulencija ir klampa nebegali išlaikyti vientisos struktūros – procesą galima palyginti su lydyto sūrio gijų nutrūkimu, tempiant į šalį vieną picos skiltį. Naujausi duomenys, leidę labai tiksliai išsiaiškinti disko struktūrą, parodė vidinio žiedo šešėlį, krentantį ant likusio disko. Tokių struktūrų egzistavimas seniai prognozuojamas teoriškai, o šis atradimas padės geriau suprasti tokių neįprastų sistemų evoliucijos detales. Tyrimo rezultatai publikuojami Science.

***

Iš ko susideda žvaigždės? Kas jos apskritai yra? Žmonės atsakymo ieškojo nuo seniausių laikų, o XX a. pirmoje pusėje išsiaiškino pagrindines atsakymo dalis. Apie tai pasakoja PBS Space Time:

***

Gulbės kilpa. Šaltinis: ESA/Hubble & NASA, W. Blair

Ši geltona gija matoma Gulbės žvaigždyne – aišku, jei turite pakankamai gerą teleskopą. Tai yra supernovos, sprogusios prieš 10-20 tūkstančių metų, liekanos kraštas. Sparčiai besiplečiančios dujos, atsitrenkusios į tarpžvaigždinę medžiagą, sukuria smūginę bangą, kurią čia ir matome.

***

Didžiausias juodųjų skylių susijungimas. LIGO-Virgo gravitacinių bangų detektorių komanda pranešė apie didžiausią iki šiol užfiksuotą juodųjų skylių susijungimą ir gravitacinių bangų signalą. Įvykio, žymimo GW190521 (tai reiškia, kad jis užfiksuotas 2019 metų gegužės 21 dieną), metu susiliejo 85 ir 66 Saulės masių juodosios skylės ir suformavo 142 kartus už Saulę masyvesnį objektą (dalis masės susijungimo metu išspinduliuojama gravitacinėmis bangomis). Iki šiol masyviausias susijungimo padarinys buvo maždaug 80 Saulės masių juodoji skylė, taigi GW190521 netgi viena iš besijungiančių komponenčių buvo masyvesnė už šį ankstesnį rekordą. Tyrėjai įvertino, kad vienoje Paukščių Tako dydžio galaktikoje toks susiliejimas galėtų įvykti maždaug kas keliolika milijonų metų; jei vyktų daug rečiau, LIGO-Virgo nebūtų susiliejimo užfiksavęs per tiek laiko, kiek vykdo stebėjimus, o jei vyktų daug dažniau, būtų užfiksavęs jau daugiau nei vieną. Atradimas iškelia klausimą, kaip susiformuoja tokios juodosios skylės, kurios čia susijungė. Žvaigždžių sprogimai neturėtų suformuoti masyvesnių nei maždaug 65 Saulės masių juodųjų skylių, mat pačios masyviausios žvaigždės sprogsta kaip porinio nestabilumo supernovos, kurių metu iš žvaigždės nelieka visiškai nieko. Gali būti, kad šios juodosios skylės jau anksčiau patyrė susiliejimų, taigi sistema iš pradžių buvo bent keturnarė. Turbūt galimi ir kiti, egzotiškesni paaiškinimai, bet jų reikės palaukti. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Nevienodos besijungiančios juodosios skylės. Dvinarės žvaigždės komponentės dažnai yra panašios masės. Panašios turėtų būti ir jų evoliucijos liekanos, pavyzdžiui juodosios skylės. Tad natūralu tikėtis, kad aptinkami gravitacinių bangų signalai turėtų atsklisti iš juodųjų skylių porų, kurių narių masės gana panašios. Dažniausiai taip ir yra, bet ne visada. Pernai balandį aptiktas gravitacinių bangų signalas GW190412, kurį sukėlė 29,7 Saulės masių juodoji skylė, besijungianti su 8,4 Saulės masių kompanione. Daugiau nei tris kartus besiskirianti jų masė iškėlė visą šūsnį klausimų, svarbiausias iš jų – kaip tokia dvinarė sistema galėjo susiformuoti? Dabar pateiktas galimas atsakymas: tai yra hierarchinio jungimo pasekmė, didesnioji juodoji skylė jau anksčiau buvo patyrusi susiliejimą su kita. Tokia hipotezė iškelta iškart po signalo aptikimo, bet nebuvo aišku, ar ji teisingesnė nei alternatyvos: kad dvinarė žvaigždė jau iš pradžių buvo sudaryta iš labai nevienodos masės kompanionių, arba kad susiliejimas įvyko žvaigždžių spiečiuje, kurio centre yra daug juodųjų skylių ir gali įvykti labai įvairūs jų susiliejimai. Naujajame tyrime apskaičiuota, kad abu pastarieji scenarijai yra menkai tikėtini. Tyrėjai sumodeliavo galimą galaktikos žvaigždžių populiacijos evoliuciją, įvertindami tikėtinas žvaigždžių orbitas diske, jų formavimąsi ir virtimą juodosiomis skylėmis; kitame modelyje jie apskaičiavo tikėtinas juodųjų skylių gravitacines sąveikas žvaigždžių spiečiuje. Abiems atvejais paaiškėjo, kad tris kartus mase besiskiriančių juodųjų skylių susidūrimas pasitaiko tik kas kelis tūkstančius ar net milijonus susiliejimų, o LIGO-Virgo detektoriai GW190412 užfiksavo vos po penkiasdešimties. Taigi beliko hierarchiško jungimosi alternatyva. Tyrėjai ją detalizavo tokiu scenarijumi: veiksmas vyko labai masyviame žvaigždžių spiečiuje, iš kurio sunku pabėgti reikia bent 150 km/s greičio (įprastai iš kamuolinių spiečių pabėgti užtenka pasiekti 50 km/s greitį). Susijungdamos dvi juodosios skylės įgavo nemažą greitį, bet jo neužteko pabėgimui, ir jos išliko spiečiuje, kur vėliau susijungė su gerokai mažesne juodąja skyle. Esminis skirtumas nuo „įprasto“ jungimosi spiečiuje scenarijaus yra šis pabėgimo greitis, leidžiantis susidaryti dideliems masių kontrastams. Tokia aplink galėtų būti žvaigždžių spiečius pačiame galaktikos centre – daugelyje galaktikų stebimi tokie telkiniai. Tyrimo rezultatai publikuojami Physical Review Letters.

***

Tamsiosios materijos struktūrų forma. Tamsioji materija nuo pat Visatos atsiradimo telkiasi į struktūras. Didžiausiose iš jų randame galaktikų spiečius, mažesnėse – pavienes įvairaus dydžio galaktikas. Teorija teigia, kad turėtų egzistuoti ir daug mažesnių, net planetinės masės struktūrų, tik pamatyti jų neturime galimybės, nes dujos jose neužsilaiko. Naujame tyrime, pasitelkus skaitmeninius modelius, nagrinėjama tokių struktūrų forma ir jos priklausomybė nuo tamsiosios materijos prigimties. Šiuo metu labiausiai priimtinas modelis teigia, kad tamsiąją materiją sudaro elementariosios dalelės, apie šimtą kartų masyvesnės už protonus. Įtraukę tokių dalelių sąveiką į modelį, tyrėjai nustatė, kad Visatoje turėtų formuotis įvairiausios masės halai, pradedant nuo Žemės masės. Įdomiausia tai, kad jų visų struktūra – tankio priklausomybė nuo atstumo iki centro – labai panaši ir gali būti aprašyta vos dviem parametrais: charakteringu spinduliu ir koncentracija. Pastarasis parametras nurodo, kaip labai halo masė sutelkta jo centrinėje dalyje. Jau seniai žinoma, kad galaktikos masto halų koncentracija mažėja, didėjant masei; mažesniems halams ši priklausomybė išlieka, nors yra silpnesnė, o patiems mažiausiems apsiverčia – mažiausi modelyje išskirti halai yra tiek pat išskydę, kaip ir didelių galaktikų. Taip pat įdomu, kad mažesnių už galaktikas halų savybės nepriklauso nuo aplinkos savybių, o didesnių – priklauso. Šie rezultatai padės geriau prognozuoti, kokios spinduliuotės galime tikėtis iš tamsiosios materijos dalelių susidūrimų, nes jų daugiausia turėtų vykti mažiausiuose haluose. Susidūrimų metu atsirandanti spinduliuotė yra vienas geriausių būdų bandyti įrodyti tamsiosios materijos dalelių egzistavimą. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Aktyvių branduolių tėkmių dėsningumai. Aktyviose galaktikose dažnai aptinkamos tėkmės – medžiagos srautai, lekiantys tolyn nuo galaktikos centro. Jų esama labai įvairių: dujos gali būti jonizuotos, neutralios arba išvis sudarytos iš molekulių; skiriasi ir geometrija – kartais tėkmė būna plati, kartais – gana siaura. Naujame tyrime pristatomi detaliausi tėkmės galaktikoje NGC 4151 stebėjimai, atskleidžiantys dėsningumus, galimai bendrus daugeliui panašių srautų. Maždaug poros šimtų parsekų dydžio regione aplink galaktikos branduolį identifikuota smėlio laikrodžio formos struktūra – dvigalė tėkmė, daugiausiai užpildyta greitai judančiomis jonizuotomis dujomis. Formos kraštus riboja tankesni molekuliniai debesys, taip pat judantys į išorę, tik daug lėčiau. Analogiška struktūra anksčiau aptikta galaktikoje NGC 1068. Molekuliniai debesys, veikiami jonizuotų dujų, subyra ir patys prisijungia prie greitesnės retesnės tėkmės. Nors kol kas tai – tik dviejų galaktikų duomenys, mokslininkai mano, kad panaši struktūra gali egzistuoti daugelyje kitų aktyvių galaktikų. Geresnis supratimas apie aktyvumo kuriamas struktūras leistų patobulinti ir galaktikų evoliucijos modelius, teisingiau įtraukiant aktyvių branduolių poveikį visos galaktikos dujoms, taip pat leistų geriau interpretuoti tuos tėkmių stebėjimų, kurių erdvinės struktūros pamatyti neįmanoma. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Mirgantys kvazarai. Žvaigždės nakties danguje nuolat mirga, nes jų šviesa iškreipiama atmosferoje. Skirtingos temperatūros oras nuolat maišosi, atsiranda sūkuriai, kurie truputį pakreipia praeinančius spindulius, o mus pasiekia netolygus šviesos srautas. Lygiai tas pat gali vykti ir tarpžvaigždinėje erdvėje – dujų ir dulkių debesys iškreipia elektromagnetines bangas, dėl to tolimų šaltinių spinduliuotė atrodo netolygi. Dažnai toks reiškinys matomas stebint kvazarus – ypatingai ryškius aktyvius galaktikų branduolius. Daugelio kvazarų radijo spinduliuotė šiek tiek kinta kelių dienų laikotarpiu, bet žinomi ir didesnės amplitudės bei spartesni svyravimai. Naujame tyrime pristatomas ekstremalus atvejis: kvazaro J1402+5347 spinduliuotės intensyvumas vos 6,5 minutės laikotarpiu kinta daugiau nei 50%. Tokie pokyčiai niekaip negali kilti pačiame kvazare, nes 6,5 minutės neužtenka net šviesai apsukti vieną ratą ties akrecinio disko vidiniu kraštu, iš kurio kyla didžioji spinduliuotės dalis. Pokyčių amplitudė ir dažnis leidžia apskaičiuoti sugeriančių dujų savybes. Tyrėjai pateikia du galimus variantus: arba sugertis susijusi su žvaigžde Alkaidu Didžiuosiuose Grįžulo Ratuose, nes kvazaras matomas labai arti jos; arba sugeriančios dujos yra ypatingai arti mūsų, galbūt netgi Saulės sistemos Oorto debesyje. Taigi labai tolimų kvazarų stebėjimai gali padėti suprasti net ir Saulės sistemos pakraščių savybes. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Štai tokios naujienos iš rudens pradžios. Kaip įprastai, laukiu jūsų klausimų ir komentarų.

Laiqualasse

2 komentarai

  1. praktiškai bet kuriame planetos taške esantis stebėtojas Fobo sukeltą dalinį užtemimą matytų vidutiniškai kartą per metus

    Žemės ar Marso metus?

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *