Įvairiuose centruose, arba branduoliuose – tiek planetų, tiek žvaigždžių ar galaktikų – dažnai vyksta patys įdomiausi ir energingiausi procesai. Dažnai tiesiogiai į juos pažvelgti neįmanoma, bet laboratoriniai eksperimentai ir skaitmeniniai modeliai padeda susigaudyti. Pavyzdžiui, jie leidžia suprasti, kad Žemės branduolyje kietos geležies matricoje įsiterpę lengvesni elementai juda kaip skystis. Tuo tarpu Marso branduolyje medžiagos persiskirstymas galėjo sukelti trumpalaikę konvekciją ir sukurti globalų magnetinį lauką. Gerokai didesniame mastelyje randame įrodymą, jog ir blausiai šviečiantys aktyvūs galaktikų branduoliai gali išpūsti dujų tėkmes, o tamsiosios materijos halų centrinės dalys per milijardus metų plečiasi. Kitose naujienose – pasiūlymai, kaip lazeriu pagreitinti skrydžius į Marsą ir analizė, kokio dydžio uolinės bei ledinės planetos gali turėti masyvių palydovų. Gero skaitymo!

***

Lengvi elementai Žemės branduolyje. Žemės branduolį daugiausiai sudaro geležis, bet yra ir kitų elementų. Kokie jie – tiksliai nežinome, nes negalime prasigręžti iki branduolio ir į jį pažvelgti. Tačiau galime būti tikri, kad jie egzistuoja, nes seisminių bangų sklidimo matavimai leidžia apskaičiuoti branduolio masę bei tūrį, o šių dydžių santykis rodo, kad branduolio tankis mažesnis, nei grynos geležies. Dabar grupė mokslininkų išnagrinėjo, kokios turėtų būti vandenilio, deguonies ir anglies – trijų dažnai pasitaikančių elementų – savybės Žemės branduolio sąlygomis ir nustatė, kad jie gali branduolyje judėti tarsi skysčiai. Tyrėjai pasitelkė skaitmeninius modelius, kuriais galima sekti atomų ir molekulių tarpusavio sąveiką. Skaičiavimai parodė, kad šešiakampės gardelės formą turintys geležies kristalai – o būtent tokie sudaro Žemės branduolį – su lengvų elementų priemaišomis įgyja vadinamąją superjoninę būseną. Tai yra tarpinė būsena tarp kietos ir skystos: geležies atomai išlaiko gardelės struktūrą ir vibruoja joje, tuo tarpu lengvi atomai gali judėti laisvai, kaip skystis. Tokia būsena paaiškina, kodėl kai kurios seisminės bangos, pasiekusios ribą tarp skysto ir kieto branduolio, praktiškai nepasikeičia. Jų greitis rodo, kad net ir kietasis Žemės branduolys yra netikėtai minkštas – panašu, kad taip nutinka būtent dėl lengvųjų elementų skystumo. Šie rezultatai padės geriau suprasti ne tik Žemės savybes, bet ir kitų planetų evoliuciją, o ateityje leis geriau interpretuoti ir egzoplanetų stebėjimus. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Kas atsitiktų, jei Mėnulis nukristų ant Žemės? Ir kodėl nenukrenta? Į šį be galo praktišką klausimą atsakymo ieško Kurzgesagt:

***

Lazeriu į Marsą. Šiandieninės zondų kelionės į Marsą trunka 6-9 mėnesius. Tokį ilgą skrydį rinktis verčia kuro sąnaudos, kurias siekiama minimizuoti, todėl erdvėlaivis beveik visą kelionę praleidžia skriedamas laisvuoju kritimu, veikiamas tik gravitacinių jėgų. Jei norėtume skristi greičiau, reikėtų daugiau kuro, o jį reikėtų gabentis kartu, tad liktų mažiau vietos naudingam kroviniui. Bet gal galima šį apribojimą apeiti? Naujame tyrime nagrinėjama galimybė erdvėlaivius Marso link pagreitinti lazerio impulsais. Analizei mokslininkai pasirinko hipotetinį lazerių masyvą, kuris gali kurti 10 metrų skersmens 100 MW galios impulsą. Tokie skaičiai kol kas nėra praktiškai pasiekiami, bet tikėtina, kad gerėjančios technologijos per kelis dešimtmečius leis sukurti tokią energijos perdavimo sistemą. Lazeris būtų nukreipiamas į erdvėlaivį orbitoje tarp Žemės ir Mėnulio, įkaitintų jame esančią vandenilio dujų talpą, o besiveržiančios karštos dujos būtų naudojamos kaip varomoji medžiaga. Autorių skaičiavimais, tokia sistema leistų vos per valandą įgreitinti erdvėlaivį ir paleisti jį Marso link taip, kad skrydis truktų vos 45 dienas – pusantro mėnesio. Dar sutrumpinti kelionės neleidžia ne lazerio apribojimai, o nusileidimas Marse: greičiau judančio erdvėlaivio nebūtų įmanoma sulėtinti pakankamai, kad jis įskrietų į orbitą aplink Marsą. Net ir šiuo atveju sulėtėjimas, naudojantis Marso atmosferos pasipriešinimu, būtų labai sudėtinga, tačiau visgi įmanoma, procedūra. Lazeris galėtų būti naudojamas ir kitaip – greitinant masyvius erdvėlaivius, taip ne sutrumpinant kelionę, bet gerokai – apie dešimt kartų – padidinant gabenano naudingo krovinio masę. Ateityje ir Marse būtų galima pastatyti analogišką lazerių masyvą ir naudoti jį erdvėlaiviams sulėtinti. Taip pat lazerio impulsai galėtų būti naudojami ir misijoms į kitus Saulės sistemos kūnus ar tarpžvaigždinę erdvę įgreitinti. Ši idėja – ne pirmas pasiūlymas naudoti lazerius kosminiams laivams gretinti, bet vandneilio kaitinimas turėtų būti daug efektyvesnis būdas išnaudoti lazerio energiją, nei anksčiau siūlytos alternatyvos. Tyrimo rezultatai publikuojami Acta Astronautica.

***

Marso magnetinio lauko nykimas. Kadaise Marsas turėjo storą atmosferą ir skysto vandens paviršiuje. Greičiausiai jis turėjo ir magnetinį lauką, kuris padėjo išlaikyti atmosferą planetos jaunystėje. Laikui bėgant magnetinis laukas pranyko, o tada sparčiai ėmė nykti ir atmosfera. Naujame tyrime pateiktas galimas paaiškinimas, kaip Marsas neteko magnetinio lauko. Seisminiai stebėjimai bei meteoritų analizė rodo, kad Marso branduolys sudarytas iš geležies ir lengvesnių priemaišų, greičiausiai sieros bei vandenilio. Tyrėjai pagamino įvairių šių elementų lydinių ir ištyrė jų savybes aukšto slėgio bei temperatūros sąlygomis. Paaiškėjo, kad esant aukštam slėgiui, besilydantis mišinys išsisluoksniuoja į du. Vienoje dalyje lieka didžioji dalis sieros ir beveik nelieka vandenilio, kitoje – priešingai. Pirmasis mišinys yra tankesnis už antrąjį, taigi gravitaciniame lauke nuskęstų žemyn. Gali būti, kad taip nutiko ir Marse: tik susiformavusioje planetoje geležies, sieros ir vandenilio branduolys ėmė sluoksniuotis, o vandenilio gausus mišinys – kilti aukštyn. Prasidėjusi konvekcija sukūrė magnetinį lauką aplink planetą, panašiai kaip magnetinį lauką kuria skystos geležies srautai Žemės branduolyje. Bet, priešingai nei Žemėje, Marse konvekcija nesitęsė ilgai: kai skirtingi mišiniai baigė sluoksniuotis, vertikalus judėjimas sustojo ir magnetinis laukas pranyko. Tai greičiausiai nutiko per pirmus 500 milijonų metų nuo planetos susiformavimo. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Urano ir Neptūno aerozoliai. Dvi išorinės Saulės sistemos planetos, Uranas ir Neptūnas, yra labai panašios. Tiek jų masė, tiek spindulys bei cheminė sudėtis skiriasi nežymiai. Tačiau spalva skiriasi: Uranas yra melsvai žalsvas, o Neptūnas – tamsiai mėlynas. Dabar pasiūlytas modelis, paaiškinantis šį skirtumą, remiantis aerozolių pasiskirstymu. Aerozoliai yra kietos arba skystos dalelės, sumišusios su dujomis. Žemėje tai gali būti ir lietaus debesys ar rūkas, ir dūmai bei smogas. Naujojo tyrimo autoriai įvertino, kokie aerozoliai galėtų formuotis įvairiame aukštyje Urano ir Neptūno atmosferose. Jų teigimu, trys aerozolių sluoksniai paaiškina planetų spalvą. Giliausias sluoksnis, plytintis ten, kur atmosferos slėgis septynis kartus viršija žemiškąjį, greičiausiai sudarytas iš vandenilio sulfido. Šios dalelės atspindi žalią šviesą, o raudoną ir mėlyną sugeria, todėl planetos turi žalsvą atspalvį. Aukščiau, 1-2 atmosferų slėgio lygyje, yra antras, greičiausiai metano, sluoksnis, atspindintis infraraudonuosius ir ultravioletinius spindulius. Trečiąjį sluoksnį taip pat sudaro metano lašeliai, tačiau mažesni, nei gilesnieji, todėl sluoksnis maždaug vienodai atspindi visus bangos ilgius. Šis sluoksnis dviejose planetose yra skirtingas: Urane jis storesnis, todėl planeta yra blyški, tuo tarpu šaltesniame Neptūne metanas virsta ledu ir ima gerai atspindėti mėlyną šviesą, o raudoną išsklaido. Tai paaiškina tamsų Neptūno atspalvį. Kartais šiose planetose atsiranda tamsesnių dėmių, susijusių su audros sūkuriais; autorių teigimu, jų egzistavimą paaiškina giliausio aerozolių sluoksnio pokyčiai. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Nauja Kentauro Proksimos planeta. Prieš šešerius metus buvo pirma, o dabar jų – jau trys. Praeitą savaitę pranešta apie dar vieną planetą, kuri sukasi aplink artimiausią Saulei žvaigždę Kentauro Proksimą. Proksima d (planetos paprastai įvardijamos pagal žvaigždės pavadinimą ir atradimo tvarką, pradedant nuo raidės b) nuo žvaigždės nutolusi maždaug keturis milijonus kilometrų – 35 kartus mažiau, nei Žemė nuo Saulės. Vieną ratą aplink žvaigždę ji apsuka per penkias Žemės paras. Visgi net ir taip arti žvaigždės Proksima d šviesos gauna tik apie 80% daugiau, nei Žemė iš Saulės, mat Kentauro Proksima yra labai blausi, apie 600 kartų blausesnė už Saulę. Jei planeta turi panašią atmosferą į Žemės, jos paviršiaus temperatūra būtų per aukšta skystam vandeniui egzistuoti, bet retesnė atmosfera galėtų padaryti planetą tinkamą gyvybei. Proksima d yra mažytė, keturis kartus mažesnės masės, nei Žemė. Tai yra mažiausia planeta, aptikta radialinių greičių metodu – matuojant planetos gravitacijos poveikį žvaigždės judėjimui. Dėl Proksimos d įtakos Kentauro Proksimos greitis kinta vos 40 cm/s ribose. Galimybė matuoti tokius nedidelius greičio pokyčius suteikia perspektyvą aptikti ir gyvybei tinkamas Žemės dydžio planetas prie panašių į Saulę žvaigždžių; iki šiol tą padaryti pavykdavo tik prie daug mažesnių. Taip pat šis atradimas parodo, kad artimiausia Saulės kaimynė turi gausią planetų šeimą, kurią bus įdomu tyrinėti tiek teleskopais, tiek galbūt ir zondais. Tyrimo rezultatai publikuojami Astronomy & Astrophysics.

***

Sudėtingumas kaip gyvybės pėdsakas. Kalbant apie gyvybės už Saulės sistemos ribų paieškas, dažnai minimi biopėdsakai – cheminiai junginiai, kurių egzistavimas atmosferoje reikštų gyvybės egzistavimą planetoje. Problema su tokia paieškų strategija yra ta, kad gyvybė gali būti labai įvairi, tad ir biopėdsakų įvairovė – milžiniška. Nežinodami, ko konkrečiai ieškoti, galime nepastebėti svarbių pėdsakų. Dabar grupė mokslininkų pasiūlė alternatyvą – vertinti planetų sudėtingumą. Jei žiūrėtume į Saulės sistemos planetas iš toli – taip toli, kad matytume tik vieną pikselį – Žemės skleidžiama bei atspindima šviesa būtų daug įvairesnė, nei kitų planetų. Iš dalies įvairovė kyla dėl vandenynų ir žemynų skirtumo, bet taip pat ir dėl biosferos – miškų, pievų, fitoplanktono telkinių – egzistavimo. Šią įvairovę galima išreikšti kaip tam tikrą statistinį sudėtingumo įvertį. Tą mokslininkai padarė naudodami algoritmą, vadinamą epsilon mašina; tokie algoritmai naudojami, pavyzdžiui, analizuojant neuronų sąveika smegenyse ar paukščių būrių judėjimą. Ištyrę juo įvairių Žemės regionų bei kitų planetų spinduliuotę, jie nustatė, kad regiono sudėtingumas – paviršių įvairovė – gerai koreliuoja su gaunamais sudėtingumo įvertinimais, o Žemės sudėtingumas maždaug pusantro karto viršija kitų planetų. Tyrinėjant egzoplanetas, sudėtingumą būtų galima apskaičiuoti turint stebėjimų duomenis, rodančius, kaip planetos skleidžiama bei atspindima šviesa kinta jai sukantis aplink žvaigždę ir savo ašį. Aukščiausio sudėtingumo planetos būtų įdomiausi taikiniai tolesniems detaliems stebėjimams ir gyvybės paieškoms. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Mėnulių formavimosi galimybės. Žemė turi santykinai didelį Mėnulį. Jis be galo svarbus mūsų planetos ir gyvybės raidai. Mėnulio keliami potvyniai, kurie praeityje buvo stipresni, skatino medžiagų maišymąsi jūrų pakrantėse ir pirmykštės gyvybės vystymąsi; Mėnulio gravitacija stabilizuoja Žemės sukimosi ašį, o kartu ir klimatą. Manoma, kad Mėnulis susiformavo po didžiulio susidūrimo tarp jaunos Žemės ir maždaug Marso dydžio planetos Tėjos. Tokie susidūrimai jaunose planetinėse sistemose turėtų būti gana dažni. O kaip su jų pasekmėmis? Kaip dažnai smūgio padarinys gali būti santykinai masyvus palydovas? Naujame tyrime atsakymo į šį klausimą ieškoma remiantis skaitmeniniais modeliais. Mokslininkai suskaičiavo susidūrimo eigą ir pasekmes, esant įvairioms planetos bei atsitrenkiančio kūno masėms. Taip pat jie ištyrė, kuo skiriasi eiga, kai planeta yra uolinė arba ledinė. Paaiškėjo, kad kuo planeta masyvesnė, tuo didesnę susidūrimo išmestos medžiagos dalį sudaro garai – tiek vandens, tiek uolienų. Garai lengvai pabėga iš planetos gravitacijos lauko, o kol nepabėga – trukdo formuotis masyviems kūnams. Pradėjusį augti galimą mėnulį tankūs garai stabdo ir traukia planetos link, todėl jis gali nukristi ir išnykti. Šis procesas dažnesnis, jei planeta ledinė, mat tada yra daugiau lengvai garuojančios medžiagos. Tyrėjų teigimu, uolinės planetos, masyvesnės nei šešios Žemės, ir ledinės planetos, masyvesnės už Žemę, negali suformuoti santykinai masyvių palydovų, tokių kaip mūsų Mėnulis. Šis atradimas padės atsirinkti, kurias egzoplanetas verta stebėti detaliau, ieškant galimų palydovų. Masyvios uolinės ar ledinės planetos tokioms misijoms, atrodo, yra prasti taikiniai. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Kodėl ši galaktika, atrodo, išsiskleidė skėtį virš savęs? Iš tiesų tai yra potvyninis žvaigždžių srautas (tiesi beveik vertikali linija) ir kevalas, atplėšti nuo mažesnės galaktikos, kurią didžiosios gravitacija ardo į gabalus. Pagrindinė galaktikos dalis dydžiu panaši į Paukščių Taką, o žvaigždžių srautas tęsiasi dar apie 30 kiloparsekų į viršų. NGC 4651 nuo mūsų skiria 15 megaparsekų, ją galima rasti Berenikės garbanų žvaigždyne.

***

Silpna čiurkšlė išpučia dujas. Aktyvūs galaktikų branduoliai – centrinės juodosios skylės ir į jas sparčiai krentanti medžiaga – turi įvairialypį poveikį savo galaktikoms. Dažnai poveikis skirstomas į du tipus: energingi branduoliai pučia vėjus, kurie išstumia dujas iš galaktikos, o ne tokie energingi spjauna čiurkšles, kurios prasiveržia iš galaktikos, kaitina aplink ją esančias dujas ir neleidžia joms atvėsti bei nukristi į galaktiką. Realybėje, žinoma, takoskyra nėra tokia griežta. Štai dabar aptikta galaktika, kurioje silpno aktyvaus branduolio kuriama čiurkšlė stumia dujas lauk iš centro. Galaktika B2 0258+35 randama Persėjo žvaigždyno kryptimi. Ji turi aktyvų branduolį, bet gana blausų. Tačiau 500 parsekų nuotoliu nuo galaktikos centro aptiktas aiškus tolstančių dujų telkinys. Dujos juda maždaug 500 km/s greičiu – to nepakanka, kad jos visiškai pabėgtų iš galaktikos, bet jos turėtų pasišalinti į pačius pakraščius. Ta pačia kryptimi, kaip šis telkinys, nuo galaktikos centro driekiasi čiurkšlė, taigi gana akivaizdu, jog dujas stumia būtent ji. Judančių dujų masė sudaro apie 75% centrinės galaktikos dalies dujų – čiurkšlės poveikis akivaizdžiai reikšmingas, bent jau galaktikos centrui. Šie duomenys gerai atitinka skaitmeninių modelių rezultatus. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Astronomy.

***

Tamsiosios materijos halų kitimas. Visos galaktikos turi tamsiosios materijos halus, kurių masė bent keletą kartų viršija įprastos – barioninės – medžiagos masę. Laikui bėgant halai keičiasi – auga jų masė, šiek tiek kinta ir forma. Būtent formos pokyčiai yra naujo tyrimo objektas. Jo autoriai ištyrė žvaigždžių judėjimą 256 galaktikose, kurių šviesa iki mūsų keliavo apie septynis milijardus metų – pusę Visatos amžiaus. Žinodami žvaigždžių judėjimo greičius, mokslininkai apskaičiavo šių galaktikų tamsiosios materijos halų masę ir formą. Kaip ir tikėtasi, nustatyta, kad visų galaktikų centre dominuoja įprasta medžiaga, o už kelių-keliolikos kiloparsekų ima dominuoti tamsiosios materijos tankis. Iš kitos pusės, šių galaktikų tamsiosios materijos halai skiriasi nuo aplinkinių galaktikų – yra kompaktiškesni. Tai reiškia, kad pastaruosius 6,5-7 milijardus metų tamsiosios materijos halai po truputį plėtėsi, jų tankis pačiame centre mažėjo, nors bendra masė ir augo. Tokią raidą prognozuoja modeliai, kuriuose įtraukiamas dujų išpūtimas iš galaktikos. Dingus dujoms, susilpnėja gravitacinis potencialas, todėl tamsioji materija irgi šiek tiek išsisklaido. Vėliau, dujoms grįžtant į galaktikos centrą, tamsioji materija irgi grįžta, bet ne taip giliai, kaip buvo pradžioje. Tokie modeliai sukurti per pastarąjį dešimtmetį; geriausi šiandieniniai kosmologiniai modeliai taip pat atkuria tokią evoliuciją. Šie rezultatai parodo, kad ir stebėjimais įmanoma nagrinėti tamsiosios materijos halų evoliuciją, taigi bus galima patikrinti ir dujų bei tamsiosios materijos sąveikos modelius. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Ar Visata tikrai išskirtinė? Mūsų Visata puikiai tinka gyvybei. Daugybė jos parametrų – nuo erdvės ir laiko dimensijų skaičiaus iki elektrono ir protono masių santykio, nuo gravitacinės ir elektromagnetinės sąveikų stiprumo santykio iki smulkiosios struktūros konstantos vertės, turi labai specifines vertes, kurios leidžia egzistuoti galaktikoms, žvaigždėms, planetoms ir gyvybei. Daugeliui šių parametrų turint nors truputį – keliais procentais – kitokias vertes, Visata būtų neatpažįstamai kitokia ir gyvybė negalėtų egzistuoti. Kai kurie žmonės mano, kad toks Visatos tinkamumas gyvybei yra kokios nors aukštesnės jėgos (ar tai būtų Dievas, ar skaitmeninio modelio, kuriame gyvename, programuotoja – nors skirtumas tarp šių sąvokų turbūt tik semantinis) egzistavimo požymis; kiti teigia, kad tai yra natūrali multivisatos egzistavimo pasekmė – paprasčiausiai mes egzistuojame tokioje visatoje iš daugybės įmanomų, kurioje gali egzistuoti gyvybė, nes kitokioje egzistuoti tiesiog negalėtume. Ir visgi šis klausimas – iš dalies fizikinis, iš dalies filosofinis – mokslininkams ne vieną dešimtmetį neduoda ramybės. Dabar paskelbta įvairių klausimo analizių apžvalga, kurios pagrindinė išvada – iš tiesų Visatos parametrų tinkamumo problema toli gražu nėra tokia stipri, kaip manyta iki šiol. Argumentų, atvedančių prie šios išvados, yra keletas. Viena vertus, kai kurie parametrai, dažnai įvardijami kaip tinkamumo problemos dalis, nėra taip stipriai apriboti, kaip manoma. Juo labiau, dažnai parametrų vertės nagrinėjamos individualiai, neatsižvelgiant, jog pakeitus kelis parametrus vienu metu, galima būtų gauti kitą jų kombinaciją, irgi tinkamą sudėtingai, gyvybės kupinai visatai. Galiausiai, tai, ką mes suprantame kaip gyvybę, toli gražu nebūtinai yra vienintelė įmanoma. Galbūt visiškai kitokiose visatose irgi gali egzistuoti pakankamai sudėtingi dariniai, kurie mąstytų apie save ir savo vietą visatoje, nors nebūtų sudaryti iš mums pažįstamų molekulių, atomų ar net kvarkų. Maža to, kai kurios parametrų kombinacijos, skirtingos nuo mūsų Visatos, galėtų netgi sukurti visatą, tinkamesnę ir mums suprantamai gyvybei, nei mūsiškė. Įvertinus visas šias išlygas skaitiškai, gaunama tikrai didelė galimų parametrų įvairovė: labiausiai apribota yra žemutinio kvarko (vienos iš protonus ir neutronus sudarančių elementariųjų dalelių) masė – didžiausios ir mažiausios galimų jos verčių santykis yra septyni. Tuo tarpu kai kurie kiti parametrai, dažnai laikomi griežtai apribotais, iš tiesų galėtų kisti daugiau nei dešimčių milijardų kartų ribose ir gauta visata vis dar būtų tinkama gyvybei. Tokia analizė reikšminga ne tik iš filosofinės pusės. Įvairūs planuojami tyrimai turėtų nustatyti, ar kai kurios fundamentaliosios konstantos iš tiesų yra konstantos, o galbūt kinta laikui bėgant; be to, atsiranda vis daugiau pasiūlymų, kaip galima būtų patikrinti multivisatos hipotezes. Tinkamumo problemos duodamų apribojimų sąvadas padės parengti šiuos eksperimentus taip gerai, kaip tik įmanoma. Apžvalgą rasite ją finansavusio Templeton fondo tinklalapyje.

***

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

Laiqualasse