Kąsnelis Visatos CDXXXIII: Bangavimai

Gravitacinės bangos, atrastos vos prieš keletą metų, tampa rimtu įrankiu astronominiuose tyrimuose. Praėjusios savaitės naujienose net du pranešimai apie jų panaudojimą: vienas – supernovų sprogimams tyrinėti, kitas – žvaigždžių spiečiams. Kol kas tai tik teoriniai modeliai, bet laikui bėgant jie gali tapti praktika. Dar bangos, tik garso, figūruoja bandymuose atkurti galimą Marso branduolio struktūrą ir žvaigždžių pulsacijų tyrimuose. Kitose žiniose – lazeriu varomas mėnuleigis, Plutono atmosferos tyrimai, neutrinų kilmės paieškos ir dar šis tas. Gero skaitymo!

***

Terminatoriaus Mėnulis. Šaltinis: Andrew McCarthy

Čia matote mūsų Mėnulį. Bet tokio jo gyvai nepamatysite. Net jei jūsų akys būtų daug jautresnės, vis tiek tokio Mėnulio pamatyti nepavyktų, nes ši nuotrauka iš tiesų yra montažas iš keturiolikos vaizdų, pagautų per dvi savaites. Iš kiekvienos nuotraukos astrofotografas Andrew McCarthy paėmė tik dalį, esančią šalia terminatoriaus – juostos, skiriančios dieninę ir naktinę palydovo puses. Saulės šviesos metami šešėliai ties terminatoriumi išryškina visus paviršiaus netolygumus. Mėnuliui sukantis aplink Žemę, terminatoriaus juosta slenkasi, tad kasdien išryškėja vis kita paviršiaus dalis. Surinkus visų nuotraukų gabaliukus į vieną ir tvarkingai sujungus, gauname tokį paryškintą mūsų palydovo vaizdą.

***

Lazerinis mėnuleigis. Netoli Mėnulio ašigalių esama kraterių, kurių dugno niekad neapšviečia Saulė. Orbitinių zondų stebėjimai sufleruoja, kad ten gali būti daug vandens ledo. Pastarasis ne tik įdomus moksliniu požiūriu, bet ir labai naudingas būsimiems Mėnulio kolonistams. Kraterių tyrinėjimo planai susiduria su didele problema – kaip suteikti energijos ten važiuojančiam mėnuleigiui? Saulės baterijos tamsiame krateryje nenaudingos, o radioizotopinis generatorius yra sunkus ir sudėtingas. Be to, gali netyčia ištirpdyti krateryje esantį ledą ir netgi paskandinti patį mėnuleigį. Europos kosmoso agentūra neseniai išbandė galimą sprendimą – energijos perdavimą lazerio spinduliu. Mėnuleigį energija aprūpinti galėtų stacionarus paviršinis zondas, kuris savo ruožtu gautų energiją iš Saulės. Mėnuleigis energiją priimtų naudodamas specialiai pritaikytą Saulės bateriją; planuojama, kad toks perdavimo būdas veiktų iki 15 kilometrų atstumu. Prie baterijos būtų pritaisytas ir valdomas reflektorius – atspindimas lazerio spindulys leistų mėnuleigiui komunikuoti su zondu. Kol kas sistema išbandyta Tenerifės saloje, kurios reljefas primena Mėnulio paviršių. Kada toks mėnuleigis galėtų išskristi į Mėnulį – nepranešama. Tiesa, jau suplanuota ir galima misijos vieta – de Gerlache ir Shackleton krateriai prie Pietų ašigalio.

***

Marso branduolio sandara. Marso branduolys greičiausiai susideda iš geležies ir sieros mišinio, bet įmanomos ir kitos priemaišos. Nustatyti sudėtį įmanoma nagrinėjant seisminius – planetos drebėjimų – duomenis, bet tam reikia žinoti, kaip garso bangos sklinda branduolio medžiagoje. Naujame tyrime pristatomi laboratoriniai tyrimai, kuriuose šis greitis išmatuotas. Tyrimams pasirinkti trys bandiniai – grynos geležies ir dviejų skirtingų koncentracijų geležies-sieros mišiniai. Mėginiai įkaitinti šiek tiek virš lydymosi temperatūros – 1500 laipsnių – ir suspausti iki 20 gigapaskalių. Panašus slėgis, tikėtina, egzistuoja Marso branduolio pakraštyje. Paleidus per bandinius vibracijas, išmatuotas jų judėjimo greitis – 4680 metrų per sekundę, daugiau nei 13 kartų greičiau už garso greitį ore. Įdomu tai, kad greitis pasirodė nepriklausomas nuo mėginio sandaros ir beveik nepriklausomas nuo slėgio. Tai reiškia, kad bet kokie nukrypimai nuo šios greičio vertės reikštų, jog Marso branduolyje yra kitokių priemaišų, ne tik sieros. Jei paaiškėtų, kad ten yra, pavyzdžiui, silicio ir deguonies, tai reikštų, kad jaunystėje Marsas patyrė stiprų smūgį, sujaukusį visą planetos sandarą, panašiai kaip Mėnulį suformavęs smūgis sujaukė Žemę. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Europos geizeriai. Kartais net dviejų dešimtmečių senumo duomenys gali atskleisti naujų kosminių įdomybių. Būtent taip nutiko, kai NASA mokslininkai iš naujo pažvelgė į Galileo zondo darytas Europos nuotraukas. Galileo skraidė aplink Jupiterį ir jo palydovus 1995-2003 metais, o nagrinėjamos nuotraukos darytos 1998-aisiais. Tuo metu buvo padaryta keletas aukštos raiškos nuotraukų, bet jos buvo nespalvotos, tuo tarpu spalvotos nuotraukos yra tik žemos raiškos. Mokslininkai apjungė abu duomenų rinkinius, perkėlė spalvinę informaciją į aukštos raiškos nuotraukas ir taip išryškino Europos paviršiaus įvairovę. Nuotraukose atsiskleidžia daug kur Europoje matomas chaotiškas paviršius (angl. Chaos terrain) – lygumų, kalnagūbrių ir įtrūkimų mišinys. Manoma, kad tose vietose paviršius visaip judėjo prieš sustingdamas, todėl susiformavo tokia struktūrų maišalynė. Kol kas nežinia, kaip iš tiesų susiformuoja chaotiškas paviršius, ar už jį atsakingi asteroidų smūgiai, ar Jupiterio gravitacija. Pagerintos nuotraukos gali padėti atsakyti į šį klausimą.

Atidžiau analizuodami Galileo duomenis, mokslininkai taip pat aptiko netiesioginių įrodymų, kad zondas praskrido pro geizerį, besiveržiantį iš palydovo poledinio vandenyno. Apie geizerių egzistavimą žinome jau keletą metų – atradimas padarytas remiantis Hubble teleskopo nuotraukomis. Tuo tarpu Galileo, skrajodamas aplink Europą, neaptiko energingų protonų, nors jų buvo tikėtasi. Skaitmeniniu modeliu tyrėjai parodė, kad energingi protonai galėjo pranykti sąveikaudami su trumpalaike Europos atmosfera – išsiveržusio geizerio garais. Efektas turėtų būti lokalus ir trumpalaikis, taigi geizeris turėjo veržtis netoli nuo Galileo skrydžio vietos. Tyrimo rezultatai publikuojami Geophysical Research Letters.

***

Plutono atmosferos tyrimai. 2015 metų liepą New Horizons zondas praskrido pro Plutoną ir padarė daugybę nykštukinės planetos nuotraukų. Kai kuriose iš jų matyti ir jos atmosfera – netikėtai sudėtinga ir sluoksniuota, nors ir gana reta. Apie atmosferos egzistavimą Plutone mokslininkai žinojo jau seniau, ji buvo tiriama ir iš Žemės. Tačiau pastarieji tyrimai buvo riboti, nes atmosfera stebėta tik okultacijų metu – kai Plutonas praskriedavo tarp mūsų ir tolimos žvaigždės, trumpam pastarąją pritemdydamas. Viena tokia okultacija įvyko ir 2015 birželį, vos dvi savaitės iki New Horizons vizito. Dabar paskelbta jos metu surinktų duomenų analizė. Okultacija buvo matoma virš Naujosios Zelandijos, taigi ten nugabentas teleskopas SOFIA, įrengtas modifikuotame Boeing lėktuve. Lėktuvas pakyla virš didžiosios dalies Žemės atmosferos, o tai leidžia vykdyti ne tik regimųjų, bet ir infraraudonųjų spindulių stebėjimus. Apjungus šiuos duomenis su New Horizons darytais radijo ir ultravioletiniais stebėjimais, pavyko sukalibruoti ankstesnius antžeminius stebėjimus. Taip pat paaiškėjo, kad Plutono atmosfera praktiškai nepakito per ketverius metus, lyginant stebėjimus 2011, 2013 ir 2015 metais. Tai reiškia, kad atmosfera yra ilgalaikė ir gana stabili. Taip pat patvirtinta, kad atmosferoje yra miglos – mažų nepermatomų dalelių, pakilusių nuo paviršiaus. Šis atradimas padės patobulinti Plutono atmosferos modelius, o tolesni panašūs stebėjimai – sekti jos pokyčius laikui bėgant. Tyrimo rezultatai publikuojami Icarus.

***

TRAPPIST-1 planetų orbitų kryptys. Planetos formuojasi kartu su savo žvaigždėmis iš protoplanetinio disko. Disko plokštuma turėtų būti statmena žvaigždės sukimosi ašiai, tad ir planetų orbitos turėtų sutapti su žvaigždės sukimusi. Saulės sistemoje taip ir yra – planetų orbitos į Saulės ašį pasvirusios ne daugiau nei 6 laipsniais. Tuo tarpu kai kurių kitų planetinių sistemų konfigūracija gerokai skiriasi, ir nežinia, ar tai atspindi kokius nors pokyčius formavimosi metu, ar vėlesnius sukrėtimus. Naujame tyrime išnagrinėta TRAPPIST-1 sistemos konfigūracija ir nustatyta, kad planetų orbitų ašys beveik sutampa su žvaigždės. TRAPPIST-1 sistema garsi tuo, kad joje žinomos net septynios uolinės planetos, iš kurių net trys skrieja žvaigždės gyvybinėje zonoje, kitaip tariant, jų paviršiuje galėtų būti skysto vandens. Stebėdami trijų planetų tranzitus, mokslininkai išmatavo, kiek pasikeičia žvaigždės spektras tranzito metu ir taip apskaičiavo, kokiu kampu planeta juda žvaigždės disku. Tranzito pradžioje planeta uždengia artėjančią mūsų link – mėlynesnę – žvaigždės dalį, todėl žvaigždės spektras truputį paraudonuoja; tranzito pabaigoje uždengiama tolstanti dalis, todėl spektras pamėlynuoja. Tikslus spektro kitimas tranzito metu leidžia nustatyti planetos judėjimo kryptį. Paaiškėjo, kad kampas tarp planetų orbitų ašių ir žvaigždės sukimosi ašies yra apie keliolika laipsnių, nors gali būti ir mažesnis, vos kelių laipsnių. Tad atrodo, kad TRAPPIST-1 sistema ir formavosi, ir evoliucionavo ramiai, be sukrėtimų, kurie galėtų išstumdyti planetų orbitas. Gaudami duomenų apie didesnio skaičiaus ir įvairesnių planetinių sistemų konfigūraciją, mokslininkai galės vis tiksliau įvertinti galimą jų evoliuciją. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Geležis egzoplanetos atmosferoje. Gerėjant prietaisams ir analizės algoritmams, vis daugiau išsiaiškiname apie egzoplanetų atmosferas. Praeitą savaitę paskelbta apie pirmą kartą atmosferoje aptiktą geležies spinduliuotę. Taip pat tai yra pirmas kartas, kai egzoplanetos atmosferoje aptikta pavienio atomo spinduliuotė – anksčiau būdavo aptinkamos arba molekulės, arba spinduliuotės sugertis, arba ir viena, ir kita. Planeta KELT-9b aplink savo žvaigždę apsisuka per 36 valandas ir yra visada atsukusi jai vieną pusę. Būtent karštojoje planetos pusėje ir aptikta spinduliuotė; tą padaryti padėjo labai tiksli planetos ir žvaigždės spektro analizė. Per aštuonias valandas trukusius stebėjimus surinkta pakankamai duomenų, kad pavyktų pamatyti tūkstančius planetos spektro linijų. Tarp jų ir aptikta geležis – šio elemento spektro linijos intensyvumas siekė apie 40% planetos kontinuumo spinduliuotės intensyvumo, arba kiek mažiau nei 0,01% bendro žvaigždės ir planetos šviesio. Apskritai aptikti geležį šioje planetoje nebuvo netikėta – prieš keletą metų elementas ten aptiktas planetos tranzito metu, išmatavus sugerties liniją. Naujieji stebėjimai leido įvertinti, kiek geležies yra planetoje: jos gausa apie tris kartus viršija gausą žvaigždėje. Taip pat panašu, kad geležies spinduliuotė sklinda iš viršutinių atmosferos sluoksnių, kur slėgis yra gana žemas. Šie sluoksniai yra šiltesni už žemesnius, greičiausiai dėl žvaigždės spinduliuotės poveikio; toks efektas vadinamas šilumine inversija. Ateityje panaši analizė padės geriau suprasti ir kitų egzoplanetų atmosferas. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Pulsuojančių žvaigždžių periodai. Visos žvaigždės virpa, vienos stipriau, kitos silpniau. Virpesių dažnis ir amplitudė priklauso nuo žvaigždės sandaros, todėl tyrinėdami pirmuosius, galime geriau suprasti ir pastaruosius. Šiandieniniai žvaigždžių struktūros modeliai gerai paaiškina stebimus virpesius į Saulę panašiose žvaigždėse, raudonosiose milžinėse, labai masyviose žvaigždėse ir baltosiose nykštukėse. Visgi kai kurių žvaigždžių vibracijos paaiškinimui nesiduoda; pavyzdžiui, jaunos žvaigždės, vadinamos Skydo deltos kintančiosiomis. Šių žvaigždžių masė siekia 1,5-2,5 Saulės masės; jų šviesis nuolatos kinta, bet iki šiol nepavyko rasti jokių kitimo dėsningumų. Egzoplanetų paieškos kosminio teleskopo TESS surinkti duomenys padėjo užpildyti šią spragą. TESS labai tiksliai fiksuoja žvaigždžių šviesio kitimus, nes to reikia, norint aptikti žvaigždžių tranzitus. Tuose pačiuose duomenyse matyti ir natūralūs žvaigždžių šviesio pokyčiai, taigi juos galima išnaudoti žvaigždžių vibracijoms tirti. Išanalizavę tūkstančių Skydo deltos tipo žvaigždžių, tyrėjai atrado 60, kuriose matyti periodiški vienodo tipo pulsavimai. Kiekvienas pulsavimo tipas – bangos, sklindančios žvaigždėje, pobūdis – sukuria tam tikrą vibracijų dažnių spektrą, o dažnius skiria charakteringas intervalas. Visoms 60 žvaigždžių šis intervalas yra apie 7,5 vibracijos per parą, o individualių žvaigždžių vibracijos siekia iki 70 vibracijų per parą. Visos reguliariai pulsuojančios žvaigždės yra gana jaunos, kai kurios vis dar skrieja vadinamosiose „judančiose grupėse“ – kartu susiformavusių žvaigždžių telkiniuose, kurie paprastai subyra per kelias dešimtis milijonų metų. Šis atradimas užpildo nemenką spragą žiniose apie žvaigždžių pulsacijas ir ateityje padės daug tiksliau identifikuoti žvaigždžių grupių amžių bei kitas savybes. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Susiliejimai žvaigždžių spiečiuose. Gravitacinių bangų signalai aptinkami, kai susijungia du kompaktiški masyvūs kūnai, pavyzdžiui juodoji skylė ir neutroninė žvaigždė. Tokie susijungimai gali vykti mažo tankio aplinkoje – astrofizikoje tai vadinama „lauku“ – arba žvaigždžių spiečiuose. Naujame tyrime teigiama, kad susijungimai šiose aplinkose turėtų labai skirtis vieni nuo kitų. Remdamasis skaitmeniniais modeliais, mokslininkas įvertino, kaip greitai susijungtų juodoji skylė ir neutroninė žvaigždė, jei jas veiktų aplink esančių žvaigždžių gravitacija. Lauke šis efektas nesvarbus ir susiliejimas įvyksta vien dėl gravitacinių bangų išspinduliavimo. Tuo tarpu spiečiuje aplinkos gravitacija pagreitina susiliejimą ir gali sudaryti sąlygas juodajai skylei praryti neutroninę žvaigždę, šios nesuardžius. Tokiu atveju susiliejimo metu neįvyktų elektromagnetinės spinduliuotės žybsnis. Būtent taip atrodė pernai aptiktas pirmasis juodosios skylės ir neutroninės žvaigždės susiliejimas, taigi gali būti, kad jis įvyko žvaigždžių spiečiuje. Taip pat skaitmeniniai modeliai parodė, kad spiečiuose juodosios skylės gali būti gerokai masyvesnės, nei lauke, nes per spiečiaus gyvenimą jos galėjo keletą kartų susijungti su kitomis. Tyrime įvertinta, kad Paukščių Tako spiečiuose tokie susiliejimai gali įvykti kartą per 3-100 milijardų metų, taigi sudėjus visus spiečius, galima tikėtis kelių susiliejimų per milijardą metų. Aplinkinių galaktikų centruose esančiuose žvaigždžių spiečiuose susiliejimai turėtų būti dažnesni – iki dešimties per milijardą metų kiekvienoje galaktikoje. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications Physics.

***

Supernovų modeliai. Supernovų sprogimai – masyvių žvaigždžių mirtys – gali būti gravitacinių bangų šaltiniai, nes sprogimai vyksta ne visai sferiškai simetriškai. Signalo savybės turėtų priklausyti nuo žvaigždės masės, sukimosi ir kitų savybių, taigi žinodami šias priklausomybes galėtume nustatyti ir atitinkamas savybes. Naujame tyrime sumodeliuoti trijų žvaigždžių sprogimai parodė, kad per artimiausią dešimtmetį pradėsiantys veikti detektoriai tokius įvykius galėtų užfiksuoti ir mūsų, ir gretimose galaktikose. Pasirinktos žvaigždės už Saulę masyvesnės 18, 20 ir 39 kartus, pastaroji žvaigždė sparčiai sukasi, pirmos dvi – ne. 18 Saulės masių žvaigždė yra raudonoji milžinė, o kitos dvi – truputį daugiau evoliucionavusios Wolf-Rayet žvaigždės. Modelio metu nagrinėjama tik maždaug sekundės trukmės žvaigždžių evoliucija tuo metu, kai jų branduolyje sustoja termobranduolinės reakcijos ir gali prasidėti supernovos sprogimas. Du masyvesni modeliai per tą sekundę ir susprogsta, o mažiausia nagrinėta žvaigždė – ne. Ji turbūt išlakstytų į šalis vėliau, bet tai būtų kiek ramesnis procesas. Išspinduliuojamos gravitacinės bangos, pasirodo, stipriai priklauso nuo žvaigždės sukimosi: masyviausios greitai besisukančios žvaigždės signalą galima aptikti net dviejų megaparsekų atstumu (vertinant planuojamų detektorių galimybes). Tokiu atstumu yra visa Vietinė galaktikų grupė, taigi daugiau nei šimtas galaktikų; jose galima tikėtis aptikti po vieną supernovos sprogimą kas keletą metų. Tiesa, mažesnių žvaigždžių sprogimai būtų aptinkami tik kelių šimtų kiloparsekų atstumu – maždaug Paukščių Take ir dalyje palydovinių galaktikų. Jose supernovų galima tikėtis kartą per 50-100 metų. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Supermasyvių juodųjų skylių neutrinai. Neutrinai yra ypatingai mažos masės elementariosios dalelės. Jos beveik visiškai nesąveikauja su medžiaga: pavyzdžiui, per sekundę jūsų kūną kerta daugiau nei trilijonas neutrinų, bet jokio pastebimo poveikio jums, ar kitiems objektams, jie neturi. Neutrinų detektoriai dažniausiai yra didžiuliai labai jautrūs vandens ar ledo pripildyti rezervuarai – tik dideliame tūryje yra šansų reguliariai pagauti labai retas neutrinų ir kitų dalelių sąveikas. Jau daugiau nei pusšimtį metų žinoma, kad daug neutrinų atlekia iš Saulės. 1987 metais pirmą kartą aptikti neutrinai iš už Saulės sistemos ribų, atskridę iš supernovos sprogimo. Pastaruoju metu vis dažniau užfiksuojami neutrinų srautai iš tolimų energingų šaltinių. Dabar naujame tyrime nustatyta, kad vienas neutrinų šaltinis yra žybsniai aktyviuose galaktikų branduoliuose. Išnagrinėję tikėtinas kryptis, iš kurių atsklinda energingiausi Antarktidoje aptikti neutrinai, tyrėjai nustatė, kad tomis kryptimis egzistuoja ir aktyvūs branduoliai, skleidžiantys stiprią radijo spinduliuotę. Tikimybė, kad toks erdvinis sutapimas yra atsitiktinis, tėra 0,2%. Taip pat nustatyta, kad energingiausi neutrinai Žemę pasiekė maždaug tuo pat metu, kaip ir radijo bangų ruože matomi žybsniai tokiuose aktyviuose branduoliuose. Taigi greičiausiai neutrinų šaltiniai yra būtent šie objektai. Manoma, kad radijo žybsniai kyla labai greitos medžiagos čiurkšlėse, kurias išspjauna akrecinis diskas aplink supermasyvią juodąją skylę, bet tik tuo atveju, jei čiurkšlės nukreiptos tiesiai į mus. Į mus nukreiptos čiurkšlės taip pat turėtų skleisti daug gama spindulių; ir tikrai, iš šių aktyvių branduolių atsklinda ir gama spinduliuotė. Tačiau gama spindulių ir neutrinų srautai visiškai nekoreliuoja tarpusavyje, taigi panašu, kad neutrinus sukuria lokaliai kitokie procesai, nei gama spinduliuotę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Reliatyvumo teorija yra vienas iš šiandieninės fizikos pagrindų. Jai atsirasti prireikė nemažai laiko, o išsivystė ji iš bandymų paaiškinti šviesos judėjimą ir elektromagnetines bangas. Iš pradžių šviesos judėjimui aiškinti buvo pasitelkta eterio koncepcija, vėliau ji paneigta, bet ją verta prisiminti kaip žingsnį teisingesnio pasaulio vaizdo link. Plačiau apie tai pasakoja PBS Space Time:

***

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

Laiqualasse

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.