Ką daryti, kai mokslinės teorijos neįmanoma patikrinti praktikoje, nes ji aiškina dalykus, kurių pamatyti neįmanoma? Pasitelkti eksperimentus! Praėjusią savaitę paskelbta apie eksperimentiškai sukurtą vandenilio ir helio dujų būseną, greičiausiai egzistuojančią dešimčių tūkstančių kilometrų gylyje Jupiteryje ir Saturne. Kiti, dalelių greitintuve gauti, duomenys atskleidė naujų žinių apie pirmąsias Visatos gyvavimo akimirkas, kai dar nebuvo net protonų ir neutronų. Kitose naujienose – idėjos apie išsiskleidžiančius mažuosius palydovus ir autonominius mėnuleigius, magnetiniai siūlai Galaktikos centre ir didžiulės galaktikų padėčių apžvalgos rezultatai. Gero skaitymo!

***

Trečiadienį įvyko pilnas Mėnulio užtemimas. Deja, Lietuvoje jo nebuvo matyti – pas mus tuo metu buvo diena. O geriausiai užtemimas matėsi Ramiojo vandenyno regione. Šioje nuotraukoje temstantis, užtemęs ir šviesėjantis Mėnulis užfiksuotas vakarinėje JAV dalyje, greta Owens Valley radijo observatorijos Kalifornijoje. Pilnai užtemęs Mėnulis švyti raudonai, nes jį apšviečia raudoni Saulės spinduliai, lūžę Žemės atmosferoje.

***

Kosminiai teleskopai-kubiukai. Šį rudenį į orbitą turėtų pakilti James Webb kosminis teleskopas. Jo 6,5 metrų skersmens pagrindinis veidrodis susideda iš dalių, nes kitaip netilptų į 5,4 metrų skersmens Ariane 5 raketos krovinių skyrių. Orbitoje veidrodis bus išskleistas. Grupė mokslininkų siūlo panašų principą pritaikyti ir palydovams-kubiukams – tai jiems leistų tapti visai neblogais teleskopais. Kubiukų (CubeSats) dydžiai yra griežtai apriboti – vieno kubiuko kraštinės ilgis tėra 10 centimetrų. Paprastai palydovą sudaro vienas ar keli kubiukai, sudėti į eilę, tad įtalpinti tokiame palydove daugiau nei kelių centimetrų skersmens veidrodį – neįmanoma. Nebent jis būtų išskleidžiamas. Bet James Webb veidrodžio išskleidimas ir tikslios geometrijos užtikrinimas yra turbūt sudėtingiausia autonominė užduotis, kurią atliks prietaisas orbitoje. Ar galima kažką panašaus padaryti ne su 10 milijardų, o su kelių milijonų dolerių biudžetu? Tyrėjai mano, kad taip. Paprasčiausiai galimus konfigūracijos netikslumus – neidealų veidrodžio išsiskleidimą – reikėtų kompensuoti adaptyvios ir aktyvios optikos principais, kurie naudojami antžeminiuose teleskopuose. Kitaip tariant, veidrodžiai būtų „minkšti“ ir lengvai deformuojami, o jų formą valdytų programinė įranga, nuolat kontroliuojanti ir minimizuojanti gaunamo atvaizdo išsikreipimus. Tyrėjai skaičiuoja, kad tokiu būdu būtų galima kubiuke sutalpinti iki 30 centimetrų efektyvaus skersmens veidrodį. Tai toli gražu nesiekia nei James Webb, nei Hablo pajėgumų, bet veidrodis galėtų tikti, pavyzdžiui, Žemės paviršiaus stebėjimams: iš 500 kilometrų aukščio orbitos būtų galima išskirti 80 centimetrų dydžio daiktus. Tokia raiška palyginama su šiandieniniais komerciniais Žemės stebėjimų palydovais. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Savaieigiai mėnuleigiai? Po keleto metų žmonės vėl nusileis Mėnulyje, greičiausiai bent keleto savaičių, o gal ir mėnesių, trukmės misijoms. Jų metu reikės dirbti ne tik kelių žingsnių atstumu nuo nusileidimo modulio, bet ir važinėti po apylinkes. Artimiausiu metu NASA turėtų apsispręsti, kokius mėnuleigius naudos astronautai. Aerokosminių technologijų kompanija Lockheed Martin ir automobilių gigantas General Motors pristatė savaieigio mėnuleigio koncepciją. Mėnuleigyje būtų įdiegtos kelios svarbios naujovės, šiuo metu plintančios automobilių pramonėje: pilnai elektrinis variklis ir autonominio judėjimo sistemos. Elektrinis variklis turi pranašumą prieš vidaus degimo variklį, nes jam nereikia atskirai gabenamo kuro. Jį galima pakrauti Saulės baterijomis, įrengtomis ant paties mėnuleigio arba ant tyrimų stoties. Autonominio judėjimo sistema leistų siųsti mėnuleigį į apylinkių žvalgybos misijas be žmonių. Tai gerokai pagreitintų nusileidimo vietos išžvalgymą ir padėtų atsakingiems misijos asmenims apsispręsti, kurios vietovės vertos detalesnių tyrimų. Žinoma, savaeigė sistema yra ir rizikinga, nes mėnuleigiui sugedus, būtų sudėtinga jį pargabenti į bazę. Visgi abi kompanijos tikisi, kad NASAi rizika pasirodys priimtina ir jų pasiūlymas taps Artemis programos dalimi.

***

Eksperimentiškai patvirtintas helio lietus. Didžiosios Saulės sistemos planetos – Jupiteris ir Saturnas – sudarytos daugiausiai iš vandenilio ir helio. Arti planetų atmosferos viršaus, t.y. regione, kurį galime stebėti tiesiogiai, šios dujos sumišusios tarpusavyje. Tačiau dešimčių tūkstančių kilometrų gylyje jos galimai atsiskiria, helis susikondensuoja į lašelius ir krenta kaip lietus. Toks reiškinys teoriškai numatytas prieš 40 metų, o dabar pirmą kartą gautas eksperimentinis patvirtinimas. Sąlygos, kurioms esant turėtų prasidėti helio lietus, tikrai ekstremalios – kelių tūkstančių laipsnių temperatūra ir slėgis, dešimtis tūkstančių kartų viršijantis žemišką. Mokslininkams tokias sąlygas pasiekti laboratorijoje pavyko naudojant dviejų etapų slėgimo procesą. Pirmiausia vandenilio ir helio dujų mišinys buvo suspaustas deimantiniais priekalais, o tada – lazerio spinduliu. Lazerio sukelta smūginė banga suspaudė medžiagą iki reikalingo slėgio ir kartu pakėlė jos temperatūrą. Stebėdami mišinio savybes suspaudimo metu, mokslininkai pastebėjo, kad didinant slėgį dujų atspindžio koeficientas kinta ne tolygiai, o patiria didelį šuolį. Šuolis žymi reikšmingą ir staigų dujų būsenos pokytį – mišinio komponentų tarpusavio atsiskyrimą. Jei helis atsiskiria nuo vandenilio, jis gali pradėti kauptis į lašelius. Sunkesni helio atomai ima kristi žemyn, tad susidaro prognozuotasis helio lietus. Šis atradimas svarbus siekiant suprasti planetų struktūrą ir formavimosi istoriją. Be to, helio lietus gali būti reikšmingas ir dujinėse egzoplanetose, tad žinodami apie jį galėsime geriau interpretuoti egzoplanetų stebėjimų duomenis. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Saulės sistema – nelabai keista. Pirmosios aptiktos egzoplanetos buvo karštieji jupiteriai – dujinės milžinės, šimtus kartų masyvesnės už Žemę, apskriejančios savo žvaigždes vos per keletą dienų. Vėliau tokių planetų aptikta ir daugiau, o tai sukėlė įtarimų, jog Saulės sistema yra greičiau išimtis, palyginus su kitomis Galaktikoje, nei taisyklė. Bet ar tikrai? Aptikti masyvią planetą labai arti žvaigždės daug lengviau, nei mažą ar esančią toli. Taigi tie atradimai gali būti tiesiog netobulų paieškos metodų pasekmė. Dabar paskelbti tris dešimtmečius trukusio tyrimo rezultatai atsako – Saulės sistema nėra visiškai tipinė, bet toli gražu ir ne išimtinė. Tyrimui buvo pasirinktos 719 žvaigždžių, kurių savybės gerai atspindi tipines žvaigždžių savybes Galaktikoje. Reguliariai matuojant jų judėjimo greitį, aptiktos 177 planetos, arba kone 25 planetos šimtui žvaigždžių. Tarp jų 14 – visai naujų, o kitos buvo aptiktos ir kitų tyrimų metu. Trys dešimtmečiai stebėjimų leido užfiksuoti planetas, nutolusias net iki 30 astronominių vienetų nuo žvaigždės – 30 kartų toliau, nei Žemė nuo Saulės, ir triskart toliau, nei Saturnas. Paaiškėjo, kad šimtui žvaigždžių tenka maždaug 14 planetų-milžinių, nutolusių 2-8 astronominius vienetus nuo žvaigždės, ir beveik devynios planetos, nutolusios dar toliau. Palyginimui, Jupiterį nuo Saulės skiria penki astronominiai vienetai, Saturną – devyni su puse. Apskritai, net įvertinus nevienodą tikimybę aptikti planetas skirtingais atstumais nuo žvaigždės, atrodo labiausiai tikėtina, kad planetos-milžinės dažniausiai turėtų skrieti 1-10 astronominių vienetų atstumu nuo žvaigždės, nei arčiau arba toliau. Saulės sistema patenka į tokį apibrėžimą, taigi ji yra tikrai ne retenybė tarp visų planetinių sistemų – bent jau šiuo atžvilgiu. Tyrimo rezultatus rasite dviejuose straipsniuose arXiv: planetų katalogas, masyvių planetų pasiskirstymas.

***

Magnetiniai siūlai Galaktikos centre. Paukščių Tako centras – išskirtinė vieta mūsų Galaktikoje, pilna energingų procesų pėdsakų. Deja, stebėti juos sudėtinga, mat daugybė tarpžvaigždinių dujų ir ypač dulkių debesų sugeria visus regimuosius bei didelę dalį ultravioletinių fotonų. Tad Galaktikos centro stebėjimai daugiausiai vykdomi ilgų – radijo – ir trumpų – rentgeno – bangų ruožuose. Dabar pristatyti naujausi detalių radijo ir rentgeno stebėjimų duomenys, atskleidžiantys kaip niekad detalų tų energingų procesų vaizdą. Rentgeno spinduliai parodo, kur yra karštų dujų, kurias įkaitino masyvių žvaigždžių spinduliuotė ir supernovų sprogimai, o radijo bangos – magnetinio lauko konfigūraciją. Jau anksčiau buvo žinoma, kad nuo diskinės šaltų dujų struktūros, vadinamos Centrine molekuline zona, statmenai driekiasi magnetinio lauko siūlai; naujieji stebėjimai tą patvirtina. Taip pat jie dera su prognozėmis modelio, pagal kurį siūlai susidaro, kai kelios magnetinio lauko linijos susiduria, susisuka ir persijungia į paprastesnę konfigūraciją. Sulyginus radijo ir rentgeno duomenis pastebėta, kad magnetiniai siūlai driekiasi nuo karštų dujų telkinių. Gali būti, kad juos suformavo tie patys procesai, kurie įkaitino ir dujas. Medžiagai kosmose lengviau judėti išilgai magnetinio lauko linijų, nei skersai jų, taigi siūlai padeda dujoms, o kartu ir energijai, pabėgti iš Centrinės molekulinės zonos į aplinkinę erdvę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Ar Paukščių Takas precesuoja? Paukščių Takas yra diskinė galaktika – tai reiškia, kad ji turi didelį paplokščią žvaigždžių ir dujų diską. Kadaise astronomai galvojo, kad diskas yra visai plokščias, bet prieš kelis dešimtmečius pastebėta, jog jo kraštai yra išsilenkę į priešingas puses. Pernai, remdamiesi Gaia teleskopo duomenimis apie žvaigždžių padėtis ir judėjimą, mokslininkai paskelbė, kad išsilenkimas laikui bėgant juda, tarsi visa Galaktika būtų didelis vilkelis, kurio sukimosi ašis nuolat svyruoja – precesuoja. Pagal šiuos skaičiavimus, išsilenkimas vieną ratą aplink Galaktiką apsuka per 600-700 milijonų metų, maždaug trigubai ilgiau, nei užtrunka Saulės kelionė aplink Galaktikos centrą, bet apie dešimt kartų trumpiau, nei prognozuoja teoriniai modeliai. Kaip paaiškinti tokį neatitikimą? Jei tikėsime naujo tyrimo autoriais, tai nieko aiškinti nereikia – tiesiog ankstesni precesijos greičio matavimai rėmėsi klaidingomis prielaidomis. Tyrėjai išnagrinėjo gausesnius žvaigždžių padėčių duomenis ir nustatė, kad disko išsilenkimas labai priklauso nuo to, kokio amžiaus žvaigždes stebime. Pirmiausiai aptiktas didžiausias išsilenkimas, matomas kintančiųjų žvaigždžių Cefėidžių duomenyse. Cefėidžių amžiai matuojami dešimtimis milijonų metų. Tuo tarpu judėjimo informacija, naudota precesijos matavimams, buvo surinkta stebint daug senesnes, kelių milijardų metų amžiaus, žvaigždes. Ką tai keičia? Ogi tą, kad senų žvaigždžių diskas išsilenkęs gerokai mažiau. Įvertinę senų žvaigždžių padėtis ir perskaičiavę jų judėjimo trajektorijas, mokslininkai apskaičiavo, kad jei Galaktikos diskas ir precesuoja, tai maždaug tiek pat, kiek prognozuoja teoriniai modeliai. Rezultatai dera net ir su neprecesuojančio disko modeliu. Šis atradimas padės geriau suprasti ir Paukščių Tako struktūrą bei evoliuciją, ir jo sąveiką su aplinkinėmis galaktikomis. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Juodųjų skylių akrecijos panašumai. Žinomas juodąsias skyles galima suskirstyti į mažas ir dideles. Mažos yra keletą ar keliasdešimt kartų masyvesnės už Saulę, didžiosios – milijonus ar milijardus kartų masyvesnės. Nepaisant šio dydžių skirtumo, jog turėtų būti labai panašios. Pavyzdžiui, jei į mažą juodąją skylę nuolat krenta dujos, susidaro gana cikliškai besivystanti sistema. Iš pradžių dujos kaupiasi diske aplink juodąją skylę, diskas ima šviesti vis ryškiau, galiausiai atsiradę vėjai nupučia medžiagos srautą, diskas nunyksta ir kurį laiką nusistovi ramybė, paskui procesas prasideda iš naujo. Vienas ciklas trunka keletą mėnesių, kartais – metų. Supermasyvių juodųjų skylių evoliucija turėtų būti panaši. Bet pokyčių trukmė yra proporcinga juodosios skylės masei, taigi milijoną kartų masyvesnės juodosios skylės ciklas gali trukti apie milijoną metų. Savaime suprantama, tokio ciklo stebėti gyvai neįmanoma, tad kaip patikrinti, ar akrecijos procesas supermasyviose juodosiose skylėse tikrai panašus į mažąsias? Grupė tyrėjų tam pasitelkė statistinę analizę – išnagrinėjo 167 aktyvių galaktikų duomenis ir nustatė jų akrecijos proceso būsenas. Aktyviomis vadinamos tos galaktikos, kurių centrinė supermasyvi juodoji skylė ryja medžiagą. Jų įvairovė didžiulė; šiame tyrime nagrinėtos galaktikos aprėpė nemažą jos dalį. Vienas svarbus parametras, nurodantis akrecijos būseną, yra akrecinio disko spinduliuotės intensyvumo santykis su visos sistemos spinduliuotės intensyvumu. Deja, iš galaktikos centro sklindančią spinduliuotę sugeria dujos ir dulkės toliau galaktikoje, todėl išmatuoti visą disko spinduliuotę neįmanoma. Bet ją galima įvertinti pasinaudojant įvairių spektro linijų intensyvumu – būtent tą mokslininkai ir padarė. Išmatavus kiekvienos galaktikos šviesį bei akrecinio disko spinduliuotės dalį, gauti rezultatai gerai atitiko mažų juodųjų skylių akrecijos būsenų įvairovę. Taip pat rezultatai patvirtino teorinius modelius, rodančius, kad galaktikos, vadinamos Seyfertais, švyti daugiausiai dėl akrecinio disko spinduliuotės. Kita vertus, blyškios aktyvios galaktikos paprastai neturi diskų – jų spinduliuotė kyla iš kitų struktūrų, pavyzdžiui čiurkšlės. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Tamsiosios energijos apžvalgos rezultatai. 2013-2019 metais vykdyta didžiausia apžvalginių stebėjimų programa, skirta didelio masto Visatos struktūros tyrimams. Tamsiosios energijos apžvalga (angl. Dark Energy Survey, DES) apėmė maždaug aštuntadalį dangaus ploto ir stebėjo ten esančių galaktikų padėtis, išsikreipimus dėl gravitacinio lęšiavimo, grupavimąsi į spiečius ir supernovų sprogimus. Dabar paskelbti pusės stebėjimų laiko duomenys ir jų analizė. Net ir šie duomenys, surinkti iki 2016 metų, apima daugiau nei 200 milijonų galaktikų. Jų padėtys erdvėje sudaro vadinamąjį „kosminį voratinklį“, kurio savybės, pavyzdžiui tipiniai atstumai tarp galaktikų, priklauso nuo Visatos plėtimosi bei viso materijos pasiskirstymo Visatoje. Taigi nustačius atstumus tarp galaktikų, galima įvertinti ir tai, kiek Visatoje yra materijos bei kaip sparčiai ji plečiasi. Panaši analizė buvo daryta ir anksčiau, bet DES rezultatai – daug išsamesni ir detalesni, tad ir rezultatai turėtų būti patikimesni. Gravitacinis lęšiavimas, iškreipiantis galaktikų formas, taip pat leidžia nustatyti visos materijos kiekį Visatoje. Gautieji rezultatai puikiai atitinka standartinio kosmologinio modelio prognozes. Net atmetus kai kurias modelyje daromas prielaidas ir pakartojus analizę, nustatyta, kad tos prielaidos greičiausiai yra teisingos. Viena iš jų – kad tamsiosios energijos, spartinančios Visatos plėtimąsi, stiprumas laikui bėgant nekinta. Labiausiai tikėtina Visatos plėtimąsi aprašančio Hablo parametro šiandieninė vertė – 68 km/s megaparsekui – gerai atitinka kosminės foninės spinduliuotės stebėjimų (Planck misijos) duodamą rezultatą, o ne supernovų sprogimų rodomą kiek didesnę vertę. Tad šis rezultatas gali prisidėti prie šių dviejų rezultatų neatitikimo išaiškinimo. Visi apžvalgos rezultatai pateikiami 29 straipsniuose, kurių sąrašą rasite čia. Pagrindiniai kosmologinių parametrų nustatymo rezultatai pateikiami šiame straipsnyje.

***

Vietinis tamsiosios materijos erdvėlapis. Apskaičiuoti medžiagos pasiskirstymą Visatoje – ne taip jau lengva. Išmatuoti ir pažymėti galaktikų padėtis – lengvoji darbo dalis, tačiau jos sudaro tik nedidelę visos materijos dalį. Apie 80% materijos yra tamsioji – ją aptikti galima tik pagal gravitacinį poveikį. Net ir dalis įprastinės materijos yra labai karšta ir reta, todėl spinduliuoja ypatingai silpnai ir apskritai aptikta buvo tik per pastarąjį dešimtmetį. Įvertinti visos materijos pasiskirstymą galima, pavyzdžiui, stebint galaktikų atvaizdų iškreipimus dėl gravitacinio lęšiavimo, bet šis procesas yra lėtas ir priklauso nuo atsitiktinių galaktikų išsidėstymų vienoje linijoje su mumis. Grupė mokslininkų sugalvojo panaudoti kitokį metodą. Jie paėmė didelį kosmologinį skaitmeninį modelį Illustris-TNG50, nustatė visos materijos pasiskirstymą jame, galaktikų pasiskirstymą, ir pagal šiuos duomenis apmokė neuroninį tinklą. Patikrinimui, kad tinklas išmoko atkurti visos materijos pasiskirstymą, remdamasis tik galaktikų pasiskirstymu, pasitelkė kitą didelį skaitmeninį modelį EAGLE. Tada pritaikė modelį galaktikų stebėjimų duomenims ir gavo visos materijos erdvėlapį. Jame atkurtos jau žinomos pagrindinės aplinkinės struktūros – didelė paplokščia sankaupa Mergelės spiečiaus kryptimi ir didelė tuštuma greta jos. Taip pat algoritmas pateikė prognozių apie įvairias smulkesnes struktūras – tamsiosios materijos „siūlus“, – kurių ligšiolinėse apžvalgose nebuvo identifikuota. Tyrėjai tikisi, kad jas pavyks atrasti ateityje; tai būtų geras prognozių patikrinimas. Šie rezultatai gali padėti suprasti ne tik didelio masto Visatos struktūros evoliuciją, bet ir mažesnius reiškinius. Pavyzdžiui, Paukščių Tako ir Andromedos galaktikos artėja viena prie kitos, bet ar jos susijungs, ar tik pralėks pro šalį, kol kas nėra iki galo aišku. Tyrinėdami tikėtiną tamsiosios materijos išsidėstymą aplink jas, mokslininkai tikisi pagerinti mūsų Galaktikos ateities prognozes. Taip pat tyrėjai planuoja praplėsti ir pagerinti erdvėlapį, pridėdami duomenis apie didesnį galaktikų skaičių. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Juodosios skylės atrodo baugios, ar ne? Net jei jų bijoti labai ir nereikėtų, visai gera žinoti, kad artimiausia iš jų yra už daugybės šviesmečių. Nebent Visatoje egzistuoja pirmykštės mažytės juodosios skylės – jų gali būti visur. Apie tai pasakoja PBS Space Time:

***

Pirmykštė Visata buvo skysta. Pirmąsias sekundės dalis po Didžiojo sprogimo Visatoje vyko daug įvairiausių pasikeitimų. Praėjus maždaug mikrosekundei atsirado pirmieji hadronai – protonai ir neutronai. Šias daleles sudaro po tris kvarkus, kuriuos jungia gliuonai. Ankstesniu metu kvarkai ir gliuonai buvo sumišę į vientisą junginį, vadinamą kvarkų-gliuonų plazma. Tokio mišinio egzistavimas teoriškai prognozuotas dar prieš pusšimtį metų, o eksperimentiškai patvirtintas 2000-aisiais. Visgi iki šiol dar daug ko apie jį nesuprantame. Iš dalies taip yra todėl, kad plazmos elgesiui modeliuoti reikia pasitelkti labai sudėtingas matematines lygtis, kurias išspręsti pajėgia tik geriausi superkompiuteriai, ir tai tik apytikriai. Taip pat galima ją tirti eksperimentiškai, bet šiam darbui reikalingi labai galingi dalelių greitintuvai, tokie, kaip LHC. Naujame tyrime pristatomi eksperimentų rezultatai, gauti LHC ALICE detektoriumi, stebint švino branduolių susidūrimų padarinius. Branduoliams suteikiama energija siekė apie 5 teraelektronvoltus – tai maždaug atitinka temperatūrą praėjus mažiau nei vienai trilijonajai sekundės daliai po Didžiojo sprogimo. Keičiant energiją, buvo galima tirti ir susidūrimų metu susiformuojančią kvarkų-gliuonų plazmą, ir plazmos virtimą hadronais. Paaiškėjo, kad plazma yra ganėtinai nespūdi – šiuo požiūriu panašesnė į vandenį nei į dujas. Tai reiškia, kad Visatoje ji buvo pasiskirsčiusi daug tolygiau, nei manyta iki šiol. Nors skirtumas neturėtų būti didelis, jis gali padėti paaiškinti vieną pokytį, nutikusį Visatoje dar anksčiau. Iki atsirandant kvarkų-gliuonų plazmai, kurį laiką Visata plėtėsi eksponentiškai sparčiai – šis laikotarpis vadinamas infliacija. Kodėl infliacija baigėsi, vis dar nėra aišku, bet plazmos „tvirtumas“ galėjo padėti pristabdyti Visatos augimą. Tyrimo rezultatai publikuojami Physics Letters B.

***

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

Laiqualasse