Kąsnelis Visatos CDLXXIV: Energingos dalelės

Beveik visą informaciją apie astronominius reiškinius gauname elektromagnetinių bangų – fotonų – pavidalu. Visgi kartais mus pasiekia ir dalelės. Pavyzdžiui, neutrinai. Iš kur atlekia šie vaiduokliški objektai, beveik nesąveikaujantys su aplinkine medžiaga, pasakyti sudėtinga, bet du praeitą savaitę paskelbti tyrimai tokio atsakymo kaip tik ir ieško. Vienas jų susieja aukštos energijos neutriną su žvaigždės potvyninio suardymo žybsniu, kitame teigiama, kad visi mus pasiekiantys neutrinai iš už Saulės sistemos ribų atsklinda iš aktyvių galaktikų čiurkšlių. Kuris teisus? Kol kas neaišku. Dar viename tyrime nagrinėjami kosminiai spinduliai ir randamas galimas jų šaltinis Paukščių Take – gama spindulius skleidžiantis molekulinis debesis, kuriame greičiausiai energingos dalelės susidūrinėja su tankiomis šaltomis dujomis. Kitose naujienose – spekuliacijos apie Marso gyvybę, dujų srautai prie prožvaigždės disko ir senos galaktikos bei tankių dujų perėjimas iš mažų galaktikų į dideles kaimynes. Gero skaitymo!

***

Kosminių šiukšlių nukritimo trukmė. Palydovas, iškeltas į orbitą aplink Žemę, neišsilaiko joje neribotą laiką. Žemės atmosfera – jei ją apibrėžtume kaip dujų sutankėjimą lyginant su tarpplanetine erdve – tęsiasi net už Mėnulio, taigi nuolatiniai susidūrimai su atomais ir molekulėmis lėtina palydovą. Lėtėdamas jis artėja prie Žemės, kol galiausiai sudega dešimčių kilometrų aukštyje. Kartais tai naudinga – pavyzdžiui, Tarptautinę kosminę stotį aptarnaujantys nepilotuojami erdvėlaiviai dažnai sudeginami atmosferoje kartu su šiukšlėmis, surinktomis iš stoties. Kitais kartais to kaip tik siekama išvengti, nes palydovai galėtų dirbti ir ilgiau, jei ne atmosferos pasipriešinimas ir nuolatinis orbitos žemėjimas. Iš kitos pusės, jei palydovas baigia darbą, geriau būtų kuo greičiau jį numesti ir sudeginti atmosferoje arba kitaip pašalinti iš orbitos, nes jis gali kelti pavojų kitiems. Praeitą savaitę Europos kosmoso agentūra paskelbė iškalbingą įvertinimą, kiek laiko skirtingame aukštyje esantiems palydovams užtruktų nukristi ir sudegti atmosferoje. 500 km aukštyje ir žemiau skriejantys palydovai nukristį per 25 metus – palyginus greitai; tokiame aukštyje rasime ir Tarptautinę kosminę stotį, ir Hablą, ir daugelį kitų mokslinių ar meteorologinių palydovų. Vos 300 kilometrų aukščiau esantis palydovas nukristi užtruks 100-150 metų; tokiame aukštyje skrieja palydovai, skirti Žemės paviršiaus stebėjimams, nes čia jie gali apsukti Žemę per pusantros valandos ir visada pusiaują kirsti tuo pačiu vietiniu laiku. 1200 kilometrų aukštyje skriejantis palydovas natūraliai nukristų tik per 2000 metų; o čia mes vis dar kalbame apie žemąją Žemės orbitą. Palydovas, paleistas geostacionarioje orbitoje, išliktų stabilus praktiškai neribotą laiką – bent milijonus metų. Taigi, jei kada Žemės praeityje egzistavo kita protinga civilizacija, kurios pėdsakų geologiniuose sluoksniuose neliko, jų palydovus greičiausiai galėtume aptikti ir šiandien.

***

Jezero kraterio panorama Perseverance akimis. Šaltinis: NASA/JPL-Caltech/MSSS/ASU

Perseverance jau kiek daugiau nei savaitę gyvena Marse, tikrina instrumentus, nagrinėja aplinką. Štai pirmoji panoraminė, 360 laipsnių, nuotrauka, rodanti marsaeigio apylinkes – Jezero kraterį. Horizontas gana lygus, bet tolumoje kyla kraterio kraštai. Kamera, kuria daryta nuotrauka, yra patobulinta Curiosity kameros versija, galinti daryti ir trimates nuotraukas, filmuoti, reikšmingai priartinti vaizdą ir kitaip nagrinėti Perseverance aplinką.

***

Marso gyvybės galimybės. Ar gali būti, kad senoviniai Marso organizmai mito akmenimis? Turint omeny, kad kol kas apskritai nežinome, ar ten kada nors buvo gyvybės, tvirtai atsakyti į šį klausimą negalime. Bet tai nesustabdė mokslininkų, kurie išnagrinėjo, kokį poveikį tokie mikroorganizmai galėjo turėti Marso uolienoms. Tam jie paėmė nedidelį Marso meteorito NWA 7034 mėginį ir sumaitino jį uolienas mintančioms žemiškoms archėjoms Metallosphaera sedula. Šie organizmai gyvena karštose ir rūgštingose aplinkose – manoma, kad panašios galėjo egzistuoti ir kai kuriose Marso vietose, jose greičiausiai susiformavo ir uoliena, kurios gabalas tapo NWA 7034. Archėja sėkmingai suvartojo sutrintą meteorito mėginį ir pavertė jį junginiais, ant kurių pati galėjo tarpti bei daugintis. Palyginimui tyrėjai išaugino archėjas dviejuose kitokiuose substratuose – žemiškame ir iš kito meteorito, kuris atskrido ne iš Marso. M. sedula poveikis trims substratams skyrėsi. Jei jauname Marse buvo gyvybės, kuri galėjo vartoti panašias uolienas, jos sukelti pokyčiai galėtų būti identifikuojami dar ir šiandien. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

Kitame tyrime buvo bandoma išsiaiškinti, ar šiandieniniame Marso paviršiuje galėtų išgyventi kokie nors žemiški mikroorganizmai. Atmosferos slėgis, temperatūra ir žalinga spinduliuotė Marso paviršiuje maždaug atitinka Žemės stratosferą, ~38 kilometrų aukštį virš mūsų planetos paviršiaus. Taigi mokslininkai nusiuntė bakterijų ir grybų kultūrų į tokį aukštį specialioje dėžėje, kurioje buvo sudarytos į Marso atmosferą panašios sąlygos, ir ištyrė, kaip jie pakito per penkias valandas. Pasirodė, kad kai kurie organizmai tokį eksperimentą išgyveno, nors visiems jiems sąlygos buvo kenksmingos. Geriausiai išsilaikė juodasis pelėsis – tai nestebina, nes jis auga ir Tarptautinėje kosminėje stotyje. Taip pat išsilaikė ir bakterijos Salinisphaera shabanensis. Abu šiuos organizmus, sugrąžintus į laboratoriją, pavyko atgaivinti. Kiti du organizmai – stafilokoko bakterijų porūšis ir Buttiauxella bakterijos – neišgyveno ultravioletinės spinduliuotės srauto. Taigi Marso paviršiuje kai kurie žemiški organizmai galbūt galėtų išsilaikyti, bet nelabai ilgai, o daugintis jiems ten sąlygos nėra tinkamos. Tyrimo rezultatai publikuojami Frontiers in Microbiology.

***

Marso kopų judėjimas. Prieš maždaug du dešimtmečius pastebėta, kad kai kurių Marso kopų šlaituose esama pailgų griovių, tarsi jais būtų riedėję kokie akmenys. Kurį laiką galvota, kad tai yra milijonų metų senumo procesų palikimas, bet vėliau pastebėta, kad grioviai nuolat keičiasi – atsiranda nauji, o seni pranyksta. Vienas galimas jų kilmės paaiškinimas – akmenys arba ledo gabalai, išjudinti garuojančio anglies dvideginio ledo, rieda kopomis žemyn ir palieka už savęs šliūžes. Dabar pirmą kartą aptikti įrodymai, jog toks procesas greičiausiai ir vyksta. Deja, tiesiogiai užfiksuoti judančių riedulių nepavyko, tačiau trijose nuotraukose, darytose skirtingais metais vietinį pavasarį, pastebėti dulkių tumulai, kylantys nuo naujai atsiradusių griovių. Tumulus sudaro mažytės dulkelės, kurias pakelia garuojantis ledas ir judantys rieduliai arba ledokšniai. Stambesnės dulkės nukrenta arba griovio ir suformuoja šviesesnes juostas abipus jo, kontrastuojančias su tamsiu smėliu pačiame griovyje. Tyrimo rezultatai publikuojami Geophysical Research Letters.

***

Tebeaugantis prožvaigždės diskas. Žvaigždės formuojasi iš molekulinių dujų sankaupų, kurios pradžioje yra daugmaž sferiškos ir lėtai sukasi. Traukiantis centrui, sukimasis greitėja, kol susiformuoja prožvaigždė ir ją supantis protoplanetinis diskas. Kurį laiką į diską tebekrenta medžiaga iš išorinių apvalkalo dalių. Dabar pirmą kartą šį procesą pavyko užfiksuoti tiesioginiais stebėjimais. Detaliais spektroskopiniais stebėjimais išnagrinėjus besiformuojančią žvaigždę Vežėjo SU aptiktos kelios dulkių juostos, besidriekiančios tolyn nuo protoplanetinio disko pakraščių. Jų judėjimo greitis atitinka tokį, kokio būtų tikimasi iš diskan krentančios medžiagos. Įdomu, kad centrinė disko dalis yra išsilenkusi, lyginant su išorine – tai turbūt yra vėlyvo medžiagos kritimo poveikis. Krentantys srautai pastumia ir pasuka diską, tačiau vidinė jo dalis ne taip stipriai reaguoja į pokyčius, kaip išorinė. Taip pat įdomu, kad Vežėjo SU yra bent milijono metų amžiaus – anksčiau aptikti medžiagos kritimo į diskus įrodymai tik gerokai jaunesnėse žvaigždėse. Šis atradimas padės geriau suprasti planetų formavimosi detales ir planetinių sistemų konfigūracijų įvairovę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Kai kurios kintančiosios žvaigždės pulsuoja pagal auksinę proporciją. Kaip taip gali būti? Ar tai reiškia, kad jas veikia kokia nors labai pažangi protinga civilizacija? Apie „auksinių“ žvaigždžių įdomybes pasakoja John Michael Godier:

***

Galaktikos disko žvaigždžių judėjimas. Paukščių Tako diskas susideda iš skirtingo amžiaus žvaigždžių. Dažnai išskiriamos dvi jų populiacijos – senesnis storasis diskas ir jaunesnis plonasis, – tačiau kai kurie mokslininkai abejoja tokiu skirstymu ir teigia, kad iš tiesų žvaigždžių amžiai pasiskirstę gana tolygiai. Naujame tyrime nagrinėjamas daugiau nei pusės milijono žvaigždžių judėjimas Galaktikos diske, siekiant išsiaiškinti esminius jų populiacijų skirtumus. Stebėjimams pasirinktos žvaigždės, nuo Galaktikos centro nutolusios 7-13 kiloparsekų atstumu; Saulę nuo Galaktikos centro skiria kiek daugiau nei aštuoni kiloparsekai. Žvaigždžių amžius aprėpia visą Visatos istoriją – nuo mažiau nei milijardo iki daugiau nei 13 milijardų metų. Įvairūs ir jų metalingumai – sunkesnių už helį cheminių elementų masės dalis: jie siekia nuo dešimtadalio Saulės metalingumo iki tris kartus viršijančio mūsų žvaigždės. Kaip ir buvo tikėtasi, pastebėta, jog senos – storojo disko – žvaigždės yra plačiau pasklidusios aplink Galaktikos disko vidurio plokštumą. Taip pat jos lėčiau sukasi aplink Galaktikos centrą ir turi didesnę greičių dispersiją. Skirtumas tarp storojo ir plonojo disko žvaigždžių egzistuoja, bet jis nėra labai ryškus nei žvelgiant vien į žvaigždžių amžių, nei vien į metalingumą; geriau skirtumas atsiskleidžia nagrinėjant šiuos dydžius kartu, mat senos metalingos žvaigždės labiau priskirtinos plonajam diskui, o jaunesnės mažai metalingos – storajam. Dar aptikta žvaigždžių struktūra maždaug ties 12 kiloparsekų nuo Galaktikos centro – ją sudaro žvaigždės, kurių kinetinė energija pasklidusi platesniame intervale, nors ir su mažesniu vidurkiu, nei likusiųjų. Tai turbūt yra vienos iš kadaise prarytų palydovinių galaktikų liekana, vis dar išlaikanti savitas orbitų savybes, nors po susiliejimo praėjo gal net dešimt milijardų metų. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Didelės galaktikos vagia dujas. Kiekviena galaktika turi tam tikrą kiekį dujų, kurias galima sudalinti į tris būsenas. Karštos jonizuotos dujos užpildo galaktikos halą, atominės dujos daugiausiai kaupiasi diske, o molekulinės – dar plonesniame diske, susitelkusios į debesis, iš kurių formuojasi žvaigždės. Prasilenkiant dviem galaktikoms, dalis dujų gali pereiti iš vienos į kitą. Jau seniai žinoma, kad didelės galaktikos iš mažų kaimynių taip vagia jonizuotas ir atomines dujas. Dabar pirmą kartą nustatyta, kad pavogiamos ir molekulinės dujos. Pasitelkę labai detalų skaitmeninį modelį Illustris TNG100, kuriame buvo sekama didelio Visatos regiono evoliucija nuo pirmųjų milijonų metų iki šių dienų, tyrėjai išnagrinėjo, kaip priklauso galaktikos dujų savybės nuo jos aplinkos. Nustatyta, kad galaktikos, esančios grupių ar spiečių pakraščiuose, turi vidutiniškai apie keturis kartus mažiau molekulinių dujų, nei tokios pat masės galaktikos, esančios grupių ar spiečių centruose. Telkinio centre randama masyviausia jo galaktika, taigi tokia atranka parodė, kad galaktikos, sąveikaujančios su masyvesnėmis kaimynėmis, netenka maždaug trijų ketvirčių dujų. Išvada galioja tik galaktikoms, kurių žvaigždžių masė viršija milijardą Saulės masių; tai yra maždaug per vidurį tarp Mažojo ir Didžiojo Magelano debesų, didžiausių Paukščių Tako palydovių, masių. Gautus rezultatus tyrėjai palygino su apžvalginiais stebėjimais xCOLD GASS, kuriuose buvo matuojama anglies monoksido dujų gausa aplinkinėse galaktikose. Realiose galaktikose skirtumai tarp centrinių ir pakraštinių galaktikų siekė ne keturis, o tik 1,5-2 karto, tačiau tyrėjų teigimu, tokį skirtumą galima paaiškinti selekcijos efektais. Kai tyrėjai įvertino šių efektų sukeliamus netikslumus ir pakoregavo galaktikų atrinkimą iš modelio rezultatų pagal juos, gautas rezultatas sutapo su stebėjimų duomenimis. Šis atradimas padės geriau suprasti galaktikų žvaigždėdaros istorijas ir aplinkos poveikį galaktikų evoliucijai. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Galaktinių kosminių spindulių šaltinis. Kosminiai spinduliai yra labai aukštos energijos elektringos dalelės – daugiausiai protonai. Jų energijos matuojamos trilijonais elektronvoltų ir daugiau. Žemę pasiekiančių kosminių spindulių srautas tolygiai mažėja, energijai didėjant iki keleto petaelektronvoltų (kvadrilijonų elektronvoltų, trumpiau PeV), prie aukštesnių energijų ima mažėti sparčiau. Šis pokytis greičiausiai reiškia, kad ties ta riba „pasibaigia“ iš Paukščių Tako atsklindantys kosminiai spinduliai. Vadinasi, mūsų Galaktikoje yra bent vienas PeV energijos spindulių šaltinis. Deja, aptikti jį tiesiogiai stebint kosminius spindulius neįmanoma, mat jų trajektorijas stipriai iškreipia magnetinis laukas, tad Žemę jie pasiekia toli gražu ne tiesiomis linijomis. Bet jei kosminių spindulių šaltinio aplinkoje yra tankių dujų, tai energingos dalelės, atsitrenkusios į šias dujas, gali sukurti gama spinduliuotę, kurios spektras priklauso nuo kosminių spindulių energijų spektro. Dabar aptiktas būtent toks gama spinduliuotės šaltinis Paukščių Take. HAWC J1825-134 yra neseniai užfiksuotas gama spindulių šaltinis, o dabar išmatuota, kad jo skleidžiamų spindulių energijos siekia bent 200 teraelektronvoltų (trilijonų elektronvoltų, trumpiau TeV). Būtent tokią energiją prognozuoja kosminių spindulių ir dujų sąveikos skaičiavimai. Neaišku, koks tiksliai objektas skleidžia kosminius spindulius, tačiau šaltinio padėtis sutampa su masyviu molekuliniu debesiu, taigi gama spindulių kilmės interpretacija atrodo patikima. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Neutrinas iš suardytos žvaigždės. Neutrinai – tai elementariosios dalelės, kurios beveik nesąveikauja su likusia materija, tad ir aptikti juos labai sudėtinga. Visgi kartais pavyksta; vienas pagrindinių neutrinų detektorių Žemėje yra Antarktidoje įrengtas detektorių tinklas, fiksuojantis sąveikas tarp neutrinų ir vandens molekulių kubiniame kilometre ledo. Neutrinai ten aptinkami reguliariai, bet kol kas nėra iki galo aišku, kokie astronominiai reiškiniai juos sukuria. Daugybė neutrinų mus pasiekia iš Saulės, kur jie formuojasi branduolyje vykstančių termobranduolinių reakcijų metu, bet kitų žvaigždžių neutrinų srautas ties Žeme yra pernelyg menkas, kad jį aptiktume. Iš kitos pusės, aptinkama daug energingų neutrinų, kurie galimai kyla iš aktyvių galaktikų branduolių. Štai praeitą savaitę paskelbta apie neutriną, kuris Žemę pasiekė tuo pat metu, kaip ir potvyniškai suardytos žvaigždės žybsnis. Potvyninis suardymas nutinka, kai žvaigždė pralekia arti supermasyvios juodosios skylės galaktikos centre. Žvaigždė subyra į gabalus, dalis jos medžiagos suformuoja trumpalaikį akrecinį diską aplink juodąją skylę ir gali švytėti keletą mėnesių. Reiškinys aptiktas ieškant energingų neutrinų šaltinių – tyrėjai žinojo apytikrę neutrino atsklidimo kryptį ir gana tikslų laiką, kai jis pasiekė Žemę. Tikimybė atsitiktinai aptikti potvyninio suardymo žybsnį tuo pat metu, kaip ir neutriną, yra maždaug 1 iš 200, o tokį ryškų žybsnį, kaip AT2019dsg – 1 iš 500. Stebėjimai rodo, kad sistemą greičiausiai sudaro centrinis tankesnis dujų telkinys ir ultravioletinius spindulius skleidžianti fotosfera, o viską gaubia stipraus magnetinio lauko kertamos dujos, skleidžiančios radijo bangas. Tokia konfigūracija labai tinka kosminių spindulių bei su jais susijusių neutrinų gamybai. Jei neutrinas tikrai atsklido būtent iš šio šaltinio, tai rodo, kad potvyniniai žvaigždžių suardymai prisideda prie kosminių neutrinų srauto, pasiekiančio Žemę. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Energingi neutrinai – iš blazarų. Kai kurie neutrinai galbūt atsklinda iš potvyninio suardymo įvykių (žr. aukštesnę naujieną), bet panašu, kad dauguma jų yra tiesiog aktyvių galaktikų branduolių čiurkšlių produktas. Bent jau taip teigia mokslininkai, ištyrę visų neutrinų, aptiktų IceCube detektoriuje per septynerius metus, tikėtinas atsklidimo kryptis. IceCube fiksuoja neutrino judėjimo per detektorių kryptį, taigi gali nustatyti ir iš kurios dangaus pusės jis atsklido, nors ir su paklaida. Paėmę neutrinų padėčių dangalapį, tyrėjai palygino jį su blazarų padėtimis ir rado tvirtą koreliaciją. Blazarai yra aktyvios galaktikos, kurių čiurkšlės nukreiptos tiesiai mūsų link. Taigi iš jų į mus lekia daug energingų dalelių, taip pat ir neutrinų. Elektringos dalelės – protonai, elektronai ir panašios – nukreipiamos magnetinių laukų ir mūsų tiesiai nepasiekia, o neutrinams tokios kliūtys nė motais, tad jie pataiko į Žemę. Šis atradimas patvirtina pernai atrastą koreliaciją tarp energingiausių neutrinų ir blazarų. Tikėtinas blazarų neutrinų srautas yra pakankamai didelis, kad paaiškintų praktiškai visus IceCube aptiktus neutrinus, atsklindančius ne iš Saulės. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Dujų srautai senovinėse galaktikose. Skaitmeniniai modeliai prognozuoja, kad pirmus 4-5 milijardus metų po Didžiojo sprogimo Visatoje buvo daug šaltų dujų srautų, kurie driekėsi tarp galaktikų ir krisdavo į jas, palaikydami labai aukštą žvaigždėdaros spartą. Dabar pirmą kartą toks srautas aptiktas stebėjimais. Stebėjimai atlikti galaktikos, kurios šviesa iki mūsų keliauja daugiau nei 11 milijardų metų, aplinkoje. Toliau nei ši galaktika, bet arti jos dangaus skliaute, rasti du kvazarai, kurių spektre matomos sugerties linijos dėl tarp jų ir mūsų esančių dujų. Dalis šių dujų pasirodė esančios tokiu pat atstumu, kaip ir nagrinėjama galaktika. Įdomu, kad dujų savybės labai panašios abiejų kvazarų stebėjimo kryptimis – 93 ir 176 kiloparsekų atstumu (dangaus skliauto plokštumoje) nuo nagrinėjamos galaktikos. Dujos yra gana tankios, turi šimtą kartų mažiau metalų, nei Saulė, ir juda beveik vienodu greičiu. Geriausias gautų duomenų paaiškinimas – stebimos dujos sudaro šaltą srautą, krentantį į galaktiką. Įvertinta medžiagos kritimo sparta iš vieno srauto siekia keliasdešimt Saulės masių per metus – daug daugiau, nei, pavyzdžiui, medžiagos kritimo sparta į Paukščių Taką. Tiesa, kartu tai gerokai mažiau, nei galaktikos žvaigždėdaros sparta, kuri siekia maždaug 1200 Saulės masių per metus. Visgi tokią sparčią žvaigždėdarą galima paaiškinti dideliu skaičiumi krentančių srautų (modeliai rodo, kad į vieną galaktikų jų gali kristi toli gražu ne vienas) arba trumpalaikiu išaugimu. Atradimas padės geriau suprasti ir galaktikų žvaigždėdaros raidą, ir tarpgalaktinės medžiagos evoliuciją. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Štai ir visos naujienos iš praėjusios savaitės. Kaip įprastai, laukiu jūsų klausimų ir komentarų.

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.