Pažiūrėję į nakties dangų, matome daugybę – tūkstančius – žvaigždžių. Iš pirmo žvilgsnio jos gali pasirodyti išsimėčiusios visur danguje maždaug vienodai; aišku, matome žvaigždynus, bet jie tik mūsų vaizduotės ir kultūrinio palikimo vaisius. Tačiau geriau pagalvoję ir pažiūrėję netruksime suprasti, jog danguje esama ir visokiausių struktūrų. Ryškiausia ir aiškiausia – Paukščių Takas, mūsų Galaktikos juosta, susidedanti iš daugybės žvaigždžių, susitelkusių paplokščiame diske. Taip pat galime įžiūrėti kelis žvaigždžių telkinius, tokius kaip Plejados. O esant tikrai geroms sąlygoms, matoma ir Andromeda – kaimyninė galaktika. Pietų pusrutulio gyventojai kasnakt gali stebėti Didįjį ir Mažąjį Magelano debesis, Paukščių Tako palydovus.

Žvaigždės telkiasi į spiečius, šie junginiai ir pavienės žvaigždės sudaro galaktikas. Pastarosios irgi grupuojasi – į grupes bei spiečius, pastarieji – į superspiečius, sienas, gijas ir kitokius darinius, kuriais nusagstyta kosmoso erdvė. Toks grupavimasis nuo mažiausių struktūrų iki didžiausių vadinamas hierarchiniu. Ar jis kur nors baigiasi, ar kiekvienu didesniu masteliu rasime vis naujų ir naujų struktūrų? Atsakymas į šį klausimą susijęs netgi su Visatos amžiumi bei pagrindinių sudedamųjų dalių balansu.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių remėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno kito euro per mėnesį, prisijungti prie jų galite ir jūs.

Pažintį su didžiausiomis struktūromis pradėkime nuo vienos mažiausių iš jų – Vietinės galaktikų grupės. Taip, labai Žemė-centriškai, vadiname grupę, susidedančią iš Paukščių Tako, Andromedos ir kelių dešimčių mažesnių galaktikų. Mūsiškė bei kaimyninė Andromeda yra panašaus dydžio, o kitos galaktikos – įvairūs jų palydovai, nuo tokių stambių, kaip Magelano debesys ar Trikampio galaktika (pagal kai kuriuos modelius ji yra Andromedos palydovė, pagal kitus – nepriklausoma), iki vos kelis šimtus žvaigždžių turinčios Mergelės I. Visas galaktikas sieja jų tarpusavio ir bendro tamsiosios materijos halo gravitacija, kurios pakanka išlaikyti grupę neišsilaksčiusią. Laikui bėgant, Vietinės grupės narės sukris į vieną mega-galaktiką. Tokia prognozė nėra kažkas išskirtinio – ateityje gresiantis susijungimas yra tiesiog ankstesnių procesų tęsinys. Ir šiuo metu Paukščių Takas ardo Šaulio nykštukinę galaktiką, o praeityje tikrai prarijo ne vieną ir ne dvi. Didžiausias susidūrimas įvyko prieš maždaug 10 milijardų metų; tada Paukščių Takas prarijo apie 20 kartų mažesnę galaktiką, vadinamą Gaia-Enceladu. Susidūrimo padarinius galima matyti dar dabar, tačiau tam reikia gerų teleskopų ir atidaus stebėjimo: tada įžvelgiame, kad kai kurios žvaigždės Paukščių Take juda priešinga kryptimi, nei dauguma, ir turi gerokai kitokią cheminę sudėtį. Vienintelis tokių reiškinių paaiškinimas yra galaktikų susiliejimas.

Greta Vietinės grupės plyti Mergelės spiečius. Tai yra maždaug 2000 galaktikų telkinys; tiesa, atstumas nuo jo centro iki pakraščių atstumą tarp Paukščių Tako ir Andromedos viršija tik maždaug trigubai, tad galaktikų koncentracija ten daug didesnė, nei mūsų artimiausioje aplinkoje. Na, bet tai nekeista – visgi tai spiečius. Santykinę galaktikų gausą Mergelės žvaigždyne astronomai pastebėjo prieš daugiau nei 200 metų, bet tikrąjį mastą suvokė tik praeito amžiaus pirmoje pusėje. Panašiu metu tyrinėdamas kitą – Garbanų – spiečių, šveicarų kilmės amerikietis Fritzas Zwicky`is pastebėjo, kad galaktikos ten juda per greitai. Išmatavę galaktikų skleidžiamą šviesą, galime gana patikimai įvertinti ir jų masę, o kartu – jų kuriamą gravitacinį lauką. Nuo gravitacinio lauko priklauso, kaip greitai turi judėti kūnas, kad iš jo pabėgtų. Garbanų spiečiuje išmatuoti galaktikų judėjimo greičiai buvo tokie dideli, kad, jei galaktikas trauktų tik jų pačių įvertinta masė, spiečius seniausiai turėjo išsilakstyti į gabalus. Bet taip nenutiko. Kodėl? Zwicky`io atsakymas – spiečiuje yra daug nematomos masės, kokios nors medžiagos, kuri nešviečia, todėl negalime išmatuoti jos egzistavimo. Tai buvo bene pirmoji idėja apie tai, ką dabar vadiname tamsiąja materija.

Šiais laikais žinome, kad galaktikų spiečiuose galaktikų žvaigždės, planetos, dulkės ir dujos sudaro tik apie 5% visos masės. Dar 10% prideda tarpgalaktinės dujos, o 85% yra tamsioji materija. Abu pastarieji komponentai svarbūs ir spiečiaus raidai, ir padeda mums susigaudyti apie reiškinius, vykusius tolimoje praeityje bei tebesitęsiančius iki šiol.

Tarpgalaktinės dujos, kaip taisyklė, yra labai karštos – dešimčių ir šimtų milijonų laipsnių temperatūros. Tokios temperatūros medžiaga skleidžia daug rentgeno spindulių; jau pirmieji rentgeno teleskopai, įtaisyti palydovuose, prieš pusšimtį metų užfiksavo šią spinduliuotę iš artimų Persėjo ir Garbanų spiečių. Neilgai trukus identifikuotos ir dvi netikėtos tarpgalaktinių dujų telkinių savybės. Pirmoji – jie apskritai egzistuoja; antroji – jų cheminė sudėtis toli gražu nėra pirmykštė.

Tarpgalaktinių dujų egzistencijos problemą mokslininkai įvardijo neilgai trukus po jų aptikimo. Dujų skleidžiama spinduliuotė leidžia nustatyti dalelių koncentraciją, o spiečiaus dydis dangaus skliaute – dujų užimamą tūrį. Pridėję temperatūros vertę, gaunamą iš spinduliuotės spektro, nesunkiai apskaičiuosime, kiek jos turi šiluminės energijos. Šviesdamos dujos tą energiją praranda, taigi padalinę energiją iš šviesio, gauname laiko tarpą, per kurį energija turėtų pranykti visiškai. Kitaip tariant, dujos per maždaug tokį laikotarpį turėtų atvėsti, o atšalusios – sukristi į galaktikas. Koks tas laikotarpis? Daugeliui spiečių jis tesiekia „vos“ apie milijardą metų. Visatos amžius, kaip žinome, yra daugiau nei dešimt milijardų metų. Taigi Visatoje turėtų būti pilna spiečių, kuriuose dujos seniai atšalusios. Bet tokių nėra. Kodėl? Atsakymo į šį klausimą teko palaukti porą dešimtmečių, bet praeito amžiaus pabaigoje ir šio pradžioje tiek stebėjimai, tiek skaitmeniniai modeliai atskleidė dujų egzistavimo kaltininką: aktyvius galaktikų branduolius. Jų paleidžiamos čiurkšlės dažnai išsiveržia už galaktikos ribų ir gali perduoti labai daug energijos tarpgalaktinėms dujoms. Surinkus daugiau duomenų pastebėta gana aiški koreliacija, kad tuose spiečiuose, kur centrinė galaktika išpučia didesnį burbulą aplink save, tarpgalaktinės dujos turi daugiau energijos. Tokie stebėjimai buvo vienas pirmųjų įrodymų, kad aktyvūs branduoliai turi reikšmingą poveikį aplinkinių struktūrų evoliucijai. Be to, šis modelis paaiškina, kodėl kai kurių spiečių centre dujos gerokai vėsesnės, lyginant su kitais: viskas didele dalimi priklauso nuo didžiausios spiečiaus galaktikos aktyvumo istorijos. Jei galaktika aktyvi buvo palyginus neseniai (per paskutinį milijardą metų), jos suteikta energija dar išlaiko dujas karštas, tačiau jei aktyvumo nebuvo kelis milijardus metų, centrinė spiečiaus dalis jau spėjusi atvėsti.

Aktyvių branduolių poveikis padeda išspręsti ir antrąją, cheminės sudėties, problemą. Ši problema pastebėta, nagrinėjant tarpgalaktinių dujų spektrą. Jame, ypač šaltesniuose regionuose, aptikta gana daug cheminių elementų, sunkesnių už helį, pavyzdžiui anglies ar geležies. Kai kuriose vietose jų gausa siekia net apie 0,6%, arba trečdalį to, ką randame Saulėje. Tačiau tokie elementai gaminami žvaigždėse, pirmykštėje Visatoje jų nebuvo. Tarpgalaktinės dujos gerokai per karštos, kad ten galėtų užgimti žvaigždės. Kaip dujos, praturtintos sunkiais cheminiais elementais, pasiekia tarpgalaktinę erdvę? Atsakymas – aktyvių branduolių čiurkšlės ir tėkmės išneša tas dujas iš centrinių galaktikos dalių. Tiesa, ne vien jos: prie praturtinimo prisideda ir supernovų sprogimai, kurie taip pat sukelia vėjus, pabėgančius iš galaktikų.

Pagrindinis spiečių masės komponentas – tamsioji materija – daugiausiai tyrinėjamas ne per poveikį pačiam spiečiui. Nors tas poveikis, žinoma, egzistuoja – kaip pastebėjo dar Zwicky’is ir vėliau patvirtinta daugybei kitų spiečių, jei ne tamsioji materija, šimtų ar net tūkstančių kilometrų per sekundę greičiais judančios galaktikos išsilakstytų kiekviena sau. Bet informacija apie galaktikų judėjimo greitį mums leidžia nustatyti tik apytikrę bendrą tamsiosios materijos halo masę. Daug daugiau informacijos apie tamsiosios materijos pasiskirstymą duoda gravitacinio lęšiavimo stebėjimai. Lęšiavimui svarbus visos materijos pasiskirstymas spiečiuje, taigi matydami kelis už spiečiaus esančių galaktikų atvaizdus, mokslininkai gali gana gerai nustatyti, kokios materijos sankaupos ir kuriose spiečiaus vietose yra. Sėkmingai išsidėsčius galaktikoms už spiečiaus, galima įžiūrėti net ir palyginus mažus – 10-100 milijonų Saulės masių – tamsiosios materijos telkinius. Palyginimui, Paukščių Tako tamsiosios materijos halo masė yra apie trilijoną Saulės masių, o spiečių halai dar 100-1000 kartų masyvesni. Mažiausi aptikti tamsiosios materijos telkiniai net neturi savyje galaktikų, mat jų gravitacija tokia silpna, kad vos vienas supernovos sprogimas gali išmesti lauk visas ten esančias dujas. Tad ir galaktikai formuotis nelieka iš ko.

Kartu gravitacinis lęšiavimas suteikia galimybę tyrinėti tolimiausius, taigi ir seniausius, objektus Visatoje. Lęšiuoto objekto paviršinis šviesis – spinduliuotė, sklindanti iš vienetinio ploto – nepakinta, tačiau dažnai išauga plotas dangaus skliaute, todėl objektas paryškėja. Taigi lęšiuotus objektus lengviau tiek apskritai aptikti, tiek išskirti juose esančias mažesnes struktūras, pavyzdžiui žvaigždėdaros regionus galaktikose. Tokie stebėjimai leidžia susidaryti vaizdą, kaip Visatos struktūros keitėsi beveik nuo Didžiojo sprogimo iki šių dienų. Taip atsiskleidžia hierarchinio struktūros formavimosi eiga ir priežastis, kodėl didžiausių spiečių masė siekia kelis kvadrilijonus (vienetą su 15 nulių) Saulės masių, bet ne daugiau.

Tolimoje Visatoje matomi spiečiai yra gerokai mažiau tvarkingi, nei šiandieniniai. „Tvarkingumas“ matematiškai apibrėžiamas per dydį, vadinamą virialiniu parametru. Jis susijęs su procesu, vadinamu virializacija, o virializacija, grubiai šnekant, yra sistemos išsimaišymas ir energijos pasidalinimas. Kad suprastume, kaip jis vyksta, įsivaizduokime vieną galaktiką, krentančią į spiečių, kuriame galaktikų daug. Vos įkritusi, galaktika „atsimena“ savo ankstesnę būseną – trajektoriją ir greitį. Judant spiečiuje, galaktikos orbita vis po truputį kinta, kol galiausiai jos pagal judėjimo trajektoriją tampa nebeįmanoma atskirti nuo kitų spiečiaus narių. Bendrai toks procesas vadinamas relaksacija. Toks pat scenarijus galioja kiekvienai galaktikai, iš kurių susideda spiečius – formuodamos telkinį jos susimaišo ir tarsi „pamiršta“, iš kur atkeliavo. Pakankamai išsimaišiusi sistema pasižymi specifiniu energijos pasiskirstymu: bendra ją sudarančių objektų kinetinė energija lygi pusei ryšio energijos. Tokį patį santykį turi ir planeta, skriejanti apskritimu aplink savo žvaigždę, taigi tam tikra prasme gerai išsimaišęs spiečius ir apskritiminių orbitų pilna planetinė sistema yra vienodai nusistovėję. Tik laiko tarpas, reikalingas nusistovėjimui, labai skiriasi. Jis priklauso nuo sistemos dydžio – kuo ilgiau trunka sistemą sudarantiems objektams apsukti ratą aplink ją (ar pajudėti panašų atstumą kitokia trajektorija) bei kuo daugiau objektų sudaro sistemą, tuo ilgiau užtrunka išsimaišymas. Išsimaišymo progresą įvertinti galime apskaičiavę minėtąjį virialinį parametrą: tai yra tiesiog sistemos kinetinės ir ryšio energijų santykis. Virializuotai sistemai jis lygus 1/2, nevirializuotoms būna didesnis.

Maišymosi, arba virializacijos, arba relaksacijos, laiko skalės daugumai astrofizikinių sistemų yra tikrai ilgos. Pavyzdžiui, kamuoliniai žvaigždžių spiečiai virializuojasi per maždaug milijardą metų. Tai daug trumpiau, nei Visatos amžius, todėl spiečiai yra relaksavę – apvalūs ir be aiškių mažesnių struktūrų. Galaktikos relaksavimo laiko skalė dažnai gali viršyti trilijoną metų, todėl galaktikos turi įvairias mažesnes struktūras ir nėra vientisi apvalūs objektai. Galaktikų spiečiai relaksuoja per keletą-keliolika milijardų metų, t.y. palyginamą su Visatos amžiumi laikotarpį. Kodėl galaktikos, būdamos mažesnės, relaksuoja lėčiau? Čia svarbu atkreipti dėmesį, apie kokių sudedamųjų dalių relaksaciją kalbame. Galaktikos atveju tai yra žvaigždės, kurių vienoje galaktikoje gali būti milijardai ir daugiau. Spiečiaus atveju relaksuoja tik galaktikos, kurių yra iki kelių tūkstančių. Tad nors galaktikai kirsti spiečių užtrunka ilgiau, nei žvaigždei – galaktiką, didesnis žvaigždžių skaičius galaktikoje nusveria relaksacijos laiką į ilgesniąją pusę.

Taigi, spiečiai relaksuoja per kelis ar keliolika milijardų metų. Aplinkinėje Visatoje matome juos praėjus pakankamai laiko nuo susiformavimo, kad relaksacija spėtų įvykti, todėl spiečiai dažniausiai yra apytikriai apvalūs. Aišku, ne visada – spiečių susiliejimai sujaukia juos milijardams metų. Tuo tarpu žiūrėdami į tolimus objektus ir matydami milijardų metų praeitį, vis dažniau randame protospiečius – darinius, kurie nėra virializuoti, nors kitais atžvilgiais jau primena šiandieninius spiečius.

Relaksacijos laikas lemia ir didžiausią galimą spiečiaus masę. Kuo spiečius didesnis, tuo jam relaksuoti užtruks ilgiau. Sulyginę relaksacijos laiką su šiandieniniu Visatos amžiumi, randame, kad didžiausi šiandieniniai spiečiai turėtų būti kelių kvadrilijonų Saulės masių – būtent tokie, kokius ir matome. Ateityje atsiras ir masyvesnių spiečių, kai relaksuos struktūros, šiuo metu tik pradedančios jungtis tarpusavyje. Bet šis augimas nesitęs iki begalybės. Yra dar viena priežastis, kodėl daug didesnės struktūros ilgainiui ne augs, o sunyks: Visatos plėtimasis. Bet apie tai – antroje straipsnio dalyje.

Laiqualasse