Galaktikų susiliejimai ir aktyvumas

Maždaug viena iš 20-50 galaktikų aplinkinėje Visatoje yra aktyvi – į jos centrinę juodąją skylę sparčiai krenta dujos, įkaista ir spinduliuoja panašiai ryškiai arba ryškiau, nei visos galaktikos žvaigždės kartu sudėjus. Taip pat maždaug viena iš 20-50 galaktikų aplinkinėje Visatoje šiuo metu jungiasi su kita arba neseniai tokį susijungimą patyrė. Ar gali būti šie procesai susiję? Ar galaktikų susiliejimai sukelia jų aktyvumo epizodus? Atsakymas, pasirodo, priklauso ir nuo to, kaip toli yra stebimos galaktikos, ir nuo jų masės, ir nuo stebėjimų netikslumų.

Galaktikų pora NGC 4676, arba Pelės. Pradedančios jungtis galaktikos yra aiškiai nesimetriškos. Kairiosios galaktikos centre aptiktas nelabai ryškus aktyvus branduolys. Šaltinis: NASA, Hubble

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito euro per mėnesį, paremti mane galite ir jūs.

Kad galaktika taptų aktyvi, į jos juodąją skylę turi kristi dujos. Krisdamos jos tampa vis labiau gravitaciškai surištos su juodąja skyle, kitaip tariant, praranda dalį potencinės energijos. Energija niekur nedingsta, taigi dujos įkaista ir ima spinduliuoti. Priklausomai nuo to, koks dujų tankis, spinduliuotė gali būti efektyvi arba ne. Jei dujos tankios (tiesa, čia kalbame apie tankius, gerokai mažesnius už Žemės atmosferos), spinduliuotė yra efektyvi ir dujos, iki įkrisdamos pro įvykių horizontą, gali prarasti 5-42% savo rimties masės energijos. Maksimalios efektyvumo vertės yra menkai tikėtinos, todėl dažnai imamas 10% vidurkis. Retas dujų srautas gali spinduliuoti labai neefektyviai – tada dujos netenka mažiau nei procento rimties masės energijos.

Aktyvaus branduolio spinduliuotė yra palyginama su visos galaktikos žvaigždžių. Paukščių Take žvaigždžių yra keli šimtai milijardų, bendras šviesis 10 milijardų kartų viršija Saulės. Astronomų įprastais vienetais tai yra 5\times10^{43} ergų per sekundę, arba 5\times 10^{36} vatų. Jei krentanti medžiaga išspinduliuoja 10% rimties masės energijos, toks šviesis atitinka apie pusę Saulės masės per metus, įkrentančią į juodąją skylę. Šviesiausi aktyvūs branduoliai būna apie tūkstantį kartų ryškesni, taigi juos maitinti reikia kelių šimtų Saulės masių per metus. Apatinės ribos aktyvaus branduolio šviesiui kaip ir nėra – mažėjant krentančios medžiagos srautui, centrinių juodųjų skylių aplinka gana tolygiai pereina nuo efektyvios akrecijos prie neefektyvios, o vėliau – prie praktiškai nulinės.

Pusė Saulės masės galaktiniai mastais nėra didelis dujų kiekis. Apskritai dauguma galaktikų centriniuose šimte parsekų turi maždaug tokią pat masę dujų, kokia yra ir centrinės juodosios skylės masė. Šių dujų pakaktų juodąją skylę maitinti dešimtis milijonų metų be sustojimo. Tad kodėl aktyvių galaktikų tiek mažai?

Atsakymą sudaro penki žodžiai: judesio kiekio momento tvermės dėsnis. Judesio kiekio momentas (angl. angular momentum) yra fizikinis dydis, grubiai tariant nurodantis, kaip labai kažkas sukasi. Žemė turi judesio kiekio momentą dėl to, kad sukasi aplink savo ašį, ir dėl to, kad sukasi aplink Saulę. Saulė irgi turi judesio kiekio momentą. Turi jį ir dujos galaktikos centre, judančios apskritiminėmis ar elipsinėmis orbitomis. Šis dydis yra tvarus – iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta. Priešingai nei irgi tvari energija, judesio kiekio momentas netgi neturi skirtingų formų, į kurias galėtų pasikeisti. Vienintelis būdas dujų telkiniui netekti turimo judesio kiekio momento – atiduoti jį kam nors kitam.

Tą padaryti dujos gali keliais būdais. Viena grupė vadinama sekuliariais procesais. Žodis „sekuliarus“ astronomijoje reiškia „vykstantis labai ilgomis laiko skalėmis“ – šiuo atveju kalbame apie bent šimtus milijonų, o greičiausiai ir milijardus metų. Per tiek laiko dujos apsuka ne vieną orbitą aplink galaktikos centrą, tačiau ne visos orbitos yra vienodos. Žvaigždės ir tamsioji materija, pagrindiniai galaktikos masės komponentai, nėra išsidėsčiusios sferiškai simetriškai, todėl jų kuriamame gravitaciniame lauke objektai gali judėti įvairiomis, kartais netgi labai keistomis, trajektorijomis. Dalis trajektorijų yra pailgos; jomis judančios žvaigždės sukuria vadinamąją galaktikos skersę. Dujos, patekusios į išorinius skersės regionus, pernešamos centro link. Paprastai skersės tęsiasi nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių parsekų spindulio, bet kreivų orbitų esama ir daugiau, o kai kurios iš jų padeda dujoms nusigauti ir į patį galaktikos centrą. Bet visi šie procesai, kaip minėjau, yra sekuliarūs – kitaip tariant, lėti. Jie gali palaikyti supermasyvios juodosios skylės augimą per milijardus metų, bet dažniausiai tik palyginus menką, toli gražu nesiekiantį maksimalios įmanomos ribos. Ar to pakanka aiškiems aktyvumo epizodams sukurti?

Galaktika NGC 1300 turi labai aiškią skersę. Šaltinis: NASA, Hubble

Galaktikų susiliejimai siūlo kitą būdą perskirstyti dujas galaktikoje. Susiliejimas yra išskirtinai nesimetriškas procesas – į vieną galaktiką, kuri turi tam tikrą simetriją (ašinę, o kartais beveik ir sferinę), pataiko kita. Žvaigždės tiesiogiai nesusiduria, nes atstumai tarp jų gerokai didesni ne tik už pačias žvaigždes, bet ir už visas planetines sistemas. Dujos pasklidusios gerokai plačiau ir tolygiau, tad jų telkiniai susidūrinėja, o orbitos radikaliai keičiasi. Dalis dujų taip gali nukristi ir į patį galaktikos centrą ir labai sparčiai pamaitinti juodąją skylę. Ar toks procesas pakankamai dažnas, kad paaiškintų aktyvių galaktikų procentą?

Neseniai įvykusio galaktikų susiliejimo padarinys – NGC 2623. Šaltinis: NASA, Hubble

Geriausias būdas atsakyti į šiuos klausimus būtų pasirinkti kelis šimtus ar daugiau galaktikų ir stebėti jas bent kelis milijardus metų. Deja, dėl akivaizdžių priežasčių tai neįmanoma. Tad tenka apsiriboti dviem kitais metodais: statistine analize ir skaitmeniniais modeliais.

Statistinė analizė, paprastai kalbant, remiasi daugybės galaktikų parametrų nagrinėjimu ir tendencijų paieška. Hipotezės, kad susiliejimai paskatina aktyvumą, patikrinimui galima analizę daryti dviem būdais. Pirmasis – pasirinkti aktyvių galaktikų imtį ir analogiškų (panašios masės, žvaigždėdaros spartos, nuotolio, dydžio, aplinkinių galaktikų skaičiaus ir kt. savybių) neaktyvių galaktikų imtį, ir nagrinėti, ar pirmos imties galaktikos dažniau yra besijungiančios arba neseniai patyrusios susiliejimą su kita. Antrasis – pasirinkti neseniai susiliejimą patyrusių galaktikų imtį ir analogiškų, bet susiliejimo nepatyrusių, galaktikų imtį, ir patikrinti, ar pirmosios imties galaktikos dažniau yra aktyvios. Jei ir vienu, ir kitu atveju atsakymas būtų teigiamas, galėtume drąsiai teigti, kad susiliejimai tikrai sukelia aktyvumą (priešinga hipotezė – kad aktyvumas sukelia susiliejimus – yra fiziškai neįmanoma).

Ankstyvieji rezultatai būtent tą ir rodė. Nagrinėdami masyvias galaktikas su ryškiais aktyviais branduoliais, mokslininkai labai dažnai – kartais net visose, sudarančiose imtį – aptikdavo vykstančio ar neseniai pasibaigusio susiliejimo požymių. Susiliejančių galaktikų aktyvūs branduoliai aplinkinėje Visatoje dominuoja ir pagal skaičių, ir pagal šviesį. Ir vėliau, gausėjant duomenų kiekiui, panašios tendencijos išliko. Štai prieš porą metų mokslininkai išanalizavo tiek aplinkines galaktikas, tiek tas, kurių šviesa iki mūsų keliavo šešis milijardus metų – beveik pusę Visatos amžiaus. Tyrime, aprėpusiame daugiau nei 80 tūkstančių galaktikų, nustatyta, jog susiliejimus patiriančiose galaktikose aktyvūs branduoliai pasitaiko apie 80% dažniau, nei nesijungiančiose, o aktyvių galaktikų imtyje susiliejimai aptinkami 15-30% dažniau, nei neaktyviose. Kitame tyrime gaunamas panašus rezultatas – tarp aktyvių galaktikų aplinkinėje Visatoje susiliejimų požymiai yra apie penkis kartus dažnesni, nei tarp neaktyvių. 2018 metais ištyrus tolimas aktyvias galaktikas, kurias matome tokias, kokios jos buvo „kosminio vidurdienio“ metu, kai tiek galaktikų aktyvumas, tiek žvaigždėdara buvo sparčiausi, pastebėta, kad bent jau ryškiausi aktyvūs branduoliai tikrai dažnai randami besijungiančiose galaktikose.

Tolimų aktyvių branduolių dalis, randama besijungiančiose galaktikose, priklausomai nuo šviesio. Paukščių Tako šviesis yra maždaug 5\times10^{43} erg/s. Šaltinis: Lanzuisi et al. (2018)

Iš kitos pusės, kai kurie tyrimai rodo priešingą vaizdą. Štai pernai paskelbtame darbe, kuriame nagrinėjamų galaktikų šviesa iki mūsų keliavo 3,5-11 milijardų metų, neaptikta jokio statistiškai reikšmingo skirtumo tarp susiliejimus patiriančių ir nepatiriančių galaktikų. Prieš trejus metus, nagrinėdami galaktikas iš „kosminio vidurdienio“ laikų, mokslininkai ieškojo susiliejimų pėdsakų aktyvių ir neaktyvių galaktikų imtyse ir taip pat neaptiko statistiškai reikšmingo skirtumo.

Susiliejimų dalis tarp visų tolimų galaktikų (raudona kreivė) ir tarp ryškių aktyvių tolimų galaktikų (mėlyna kreivė). Kreivės rodo tikimybės pasiskirstymą, mat nei vienas santykis nėra žinomas idealiai tiksliai. Nors aktyvių galaktikų vidurkis (vertikali melsva linija) kiek didesnis, nei visų, paklaidos (užspalvintas plotas) apima ir visų galaktikų vidurkį, taigi skirtumas nėra statistiškai reikšmingas. Šaltinis: Marian et al. (2019)

Skaitmeniniai modeliai rodo panašų vaizdą. Ankstyvi bandymai rodė aiškų ryšį tarp aktyvių galaktikų ir susiliejimų – tiek mažų (kai viena galaktika už kitą mažesnė bent 10 kartų), tiek didelių. Visgi išsamesni modeliai atskleidė sudėtingesnį vaizdą: tarp šiandieninių galaktikų ryškiausi aktyvūs branduoliai galimai visi yra susiliejimų padarinys, tačiau tarp tolimų galaktikų taip nebuvo. Kituose modeliuose gaunamas kone priešingas rezultatas: susiliejimai paskatina aktyvumą mažose galaktikose, bet ne didžiausiose. Pernai paskelbtame straipsnyje nagrinėjami 30 skirtingų skaitmeninių modelių, kuriuose sekama galaktikų evoliucija per beveik visą Visatos amžių; nepriklausomai nuo pasirinkto laikotarpio ar aktyvaus branduolio šviesio, aktyvūs branduoliai nėra dažniau susiję su besijungiančiomis galaktikomis, nei neaktyvūs. Tuo tarpu modeliai, kuriuose detaliai nagrinėjamas susiliejimo poveikis atskiros galaktikos aktyvumui, rodo, kad priklausomai nuo susiliejimo savybių aktyvumas gali tiek sustiprėti, tiek susilpnėti, mat į centrą metamos dujos gali arba suspausti ten jau esančias ir paskatinti jų kritimą į juodąją skylę, arba nustumti jas tolyn ir akreciją sulėtinti.

Dviejų skaitmeninių modelių rezultatai, rodantys labai skirtingą baigtį, kai susiliejimo sujauktos dujos nukrenta į galaktikos centrą. Viršuje – galaktikos aktyvumo susilpninimas, apačioje – sustiprinimas. Vaizdai iš kairės į dešinę rodo skirtingą evoliucijos laikotarpį. Šaltinis: Miki et al. (2021)

Taigi, vienareikšmiško atsakymo kol kas nėra. Iš kitos pusės, nors ir su išlygomis, aiškėja tam tikra tendencija: ryškiausi aktyvūs branduoliai, ypač aplinkinėje Visatoje, yra reikšmingai labiau susiję su galaktikų susiliejimais, nei neaktyvios galaktikos. Nagrinėjant blausesnius aktyvius branduolius irba tolimesnes galaktikas, sąsaja išnyksta. Kodėl tokia tendencija egzistuoja? Ją paaiškinti galima dviem būdais: vienas susijęs su juodųjų skylių įvairove Visatoje, kitas – su susiliejimų poveikiu galaktikų populiacijai.

Masyviausios juodosios skylės šiuo metu yra keliasdešimt milijardų kartų masyvesnės už Saulę. Panaši situacija greičiausiai buvo ir prieš 11 milijardų metų – maksimali juodųjų skylių masė augo iki tų laikų, o vėliau praktiškai nebesikeitė, tik vis daugiau juodųjų skylių užaugdavo iki maksimalių verčių. Juodųjų skylių masės yra daugmaž proporcingos galaktikų masėms, tad ir galaktikoms galioja panaši tendencija. Kai didelių galaktikų su didelėmis juodosiomis skylėmis buvo labai mažai, jų susiliejimai buvo ypatingai reti. Tuo tarpu dujų tose galaktikose buvo daug, todėl juodųjų skylių augimui pakakdavo vien sekuliarių procesų. Šiais laikais didžiausiose galaktikose dujų beveik nebėra, tad norint pasiekti aktyvumo būseną, reikia stipraus sukrėtimo – susiliejimo. Mažesnėse galaktikose susiliejimai irgi dažnėja laikui bėgant, tačiau apskritai jie retesni, nei didesnėse, o ir dujų jose daugiau, taigi balansas vis dar persisveria į sekuliarių procesų pusę. Ateityje susiliejimai turėtų tapti reikšmingu aktyvumo sukėlėju vis mažesnėse galaktikose. Tokią perspektyvą mokslininkai apskaičiavo prieš porą metų; tiesa, ji buvo skirta būtent juodųjų skylių, o ne galaktikų, augimo nagrinėjimui, bet abiem objektams principai lieka panašūs.

Dominuojantis juodųjų skylių augimo būdas priklausomai nuo masės (horizontali ašis) ir laiko (vertikali ašis; šiandiena yra apačioje). Susiliejimai dominuoja pačių masyviausių šiandieninių ir pačių mažiausių tolimos praeities juodųjų skylių augime. Šaltinis: Pacucci & Loeb (2020)

Žinodami, kokia yra susiliejimų įtaka aktyvių galaktikų populiacijai, galime pabandyti nustatyti, koks yra tipinis poveikis vienai galaktikai. Prieš ketverius metus mokslininkai būtent tokią analizę ir atliko. Jie ištyrė kelis būdus, kaip susiliejimai galėtų paveikti galaktikų Edingtono santykio pasiskirstymą. Edingtono santykiu vadinamas santykis tarp aktyvaus branduolio šviesio ir maksimalaus šviesio, kurį galėtų pasiekti tokios masės supermasyvios juodosios skylės aplinka. Pastarasis dydis – Edingtono šviesis – proporcingas juodosios skylės masei. Edingtono santykis aplinkinėse galaktikose pasižymi dvigubos laipsninės funkcijos skirstiniu: blausiausių galaktikų yra daugiausiai, didėjant Edingtono santykiui, galaktikų mažėja, o ties 1% Edingtono šviesio mažėti pradeda daug sparčiau. Susiliejimai šį skirstinį gali paveikti įvairiai: pavyzdžiui, panaikinti mažėjimo spartėjimą, pakeičiant funkciją į viengubą laipsninę; arba pakeisti lūžio taško padėtį; arba padidinti visų Edingtono santykio verčių dažnumą. Kiekvienam iš šių ir kelių kombinuotų variantų mokslininkai apskaičiavo tikėtiną aktyvių branduolių dalį, randamą besijungiančiose galaktikose, priklausomai nuo aktyvaus branduolio šviesio, bei aktyvių branduolių šviesio pasiskirstymą. Abu sąryšius žinome ir iš stebėjimų, taigi šiuo būdu patikriname, ar modelis yra teisingas. Iš penkių ištirtų variantų geriausiai stebėjimus atitiko tas, kuriame susiliejimai visus branduolius paveikia vienodai, nepriklausomai nuo jau esamo Edingtono santykio. Kitaip tariant, stebimos tendencijos, jog susiliejimai sukelia tik ryškiausius aktyvius branduolius, yra kitų galaktikos savybių ir stebėjimų netobulumo pasekmė.

Geriausiai stebėjimus atitinkantis susiliejimų poveikio modelis. Kairėje – modelio esmė: susiliejimų sukeliamas Edingtono santykio pasiskirstymo pokytis. Viduryje – iš to kylantis besijungiančių galaktikų ir visų aktyvių galaktikų santykis priklausomai nuo šviesio (linija – modelio rezultatai, taškai – stebėjimų duomenys). Dešinėje – aktyvių branduolių šviesio pasiskirstymas (linijos – modelio rezultatai, žvaigždutės – stebėjimų duomenys). Šaltinis: Weigel et al. (2018)

Stebėjimų netobulumai, vėlgi, yra įvairūs. Viena vertus, neturime vienareikšmio apibrėžimo, kas yra aktyvus branduolys, t. y. nuo kokios centrinio šaltinio šviesio vertės jau reikia galaktiką įtraukti į aktyvių imtį. Šie kriterijai skiriasi stebint skirtinguose elektromagnetinio spektro ruožuose: aktyvius branduolius galima parinkti pagal radijo, infraraudonąją, regimąją ar rentgeno spinduliuotę. Atskirti galaktikas, kuriose neseniai įvyko susiliejimas, irgi ne visada paprasta. Kai kuriais atvejais sujaukimo prigimtis aiški, bet kitais galaktikos asimetrija gali būti ir žvaigždėdaros žybsnio pasekmė; tiesa, dabar šį uždavinį spręsti padeda ir neuroniniai tinklai. Galiausiai egzistuoja ir kita, fundamentalesnė, problema: laiko tarpas tarp susiliejimo ir poveikio galaktikos branduoliui gali siekti šimtus milijonų metų. Per tiek laiko galaktika gali nurimti ir tapti pakankamai simetriška, kad priskirtume ją „ramioms“, tuo tarpu centras galbūt tik dabar ima jausti kadaise įvykusio sukrėtimo pasekmes. Ši problema ypač opi tolimų galaktikų stebėjimams, kur neišeina pasiekti tokios geros erdvinės skyros, kaip aplinkinėse.

Taigi, ar susiliejimai sukelia galaktikų aktyvumą? Atsakymas, kaip ir dažnai astronomijoje, yra „priklauso“. Priklauso nuo to, kokia galaktika, koks susiliejimas, kada viskas įvyko ir kaip pažiūrėsime. Turint omeny, kad galaktikos yra labai sudėtingos struktūros, su daugybe komponentų, toks atsakymas neturėtų stebinti, net jei šiek tiek ir nuvilia.

Laiqualasse

2 komentarai

  1. Klausimėlis ne visai į straipsnio tema, bet toks teiginys čia buvo: “žvaigždės tiesiogiai nesusiduria”. Ar tikrai toks senarijus neįmanomas, kai žvaigždžių yra be galo daug? Ir įdomu kas teoriškai nutiktų žvaigždėms susidūrus? Susilietų, “išsitaškytų” ar įvyktu “kažkokiosnovos” sprogimas?

    1. Teoriškai scenarijus įmanomas. Tačiau jei paimsime Paukščių Taką, kuriame žvaigždžių yra ~100 milijardų, kiekvienos žvaigždės spindulys, tarkime, apie milijoną kilometrų (Saulės – 700 tūkstančių km), tai bendras visų žvaigždžių skerspjūvio plotas bus ~ 10^11 * 3 * 10^12 ~ 3 * 10^23 kvadratinių kilometrų. Vienas parsekas yra 3*10^13 kilometro, kvadratinis parsekas – ~10^27 kvadratinių kilometrų. Kitaip tariant, visos Paukščių Tako žvaigždės, sudėtos viena šalia kitos, užimtų mažiau nei tūkstantadalį kvadratinio parseko. Paukščių Tako skersmuo yra apie 60 kiloparsekų, disko storis – apie vieną kiloparseką.

      Jei vietoj žvaigždžių imtume jų asterosferas, tai milijoną kilometrų reikėtų pakeisti į ~15 milijardų kilometrų (~100 astronominių vienetų). Gaunasi 15000 kartų daugiau, plotas – ~2*10^8 karto didesnis, kitaip tariant ~6*10^31 kvadratinių kilometrų arba ~60 tūkstančių kvadratinių parsekų. Arba 250×250 parsekų kvadratas.

      Tai tiek dėl tikimybių. Jei visgi dvi žvaigždės susidurtų kaktomuša, greičiausiai gautųsi koks nors egzotiškas objektas, ekstremali „mėlynojo atsilikėlio“ (blue straggler – https://en.wikipedia.org/wiki/Blue_straggler) versija. T.y. žvaigždė, kuri atrodo daug jaunesnė, nei yra iš tiesų.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *