Gruodžio pradžioje Europos kosmoso agentūra ketina paskelbti ketvirtąjį kosminio teleskopo Gaia duomenų rinkinį (DR4). Jis apims daugiau nei penkerių metų stebėjimų duomenis – apie dvigubai daugiau, nei dabartinis, trečiasis. Rinkinyje rasime informaciją apie milijardų žvaigždžių padėtis ir judėjimą. Būtent toks ir buvo Gaia, veikusio 2014-2025 metais, tikslas – sukurti trimatį Paukščių Tako erdvėlapį. Ir ne tik jo: tarp šių milijardų žvaigždžių bus ir keli tūkstančiai, priklausantys kaimyninei Andromedai. Informacija apie šių žvaigždžių judėjimą padės atsakyti į šimtametį klausimą, kurio atsakymai pastaraisiais metais keitėsi du kartus: Ar, ir kada, Andromeda susijungs su Paukščių Taku?

Prieš dvejus metus apie šį gresiantį susidūrimą jau rašiau. Tuo metu visiškai šviežiame moksliniame straipsnyje buvo daroma išvada, kad galaktikų susiliejimas nutiks ne per maždaug šešis milijardus metų, kaip manyta anksčiau, o gerokai vėliau: net ir susiliejimo per artimiausius 10 milijardų metų tikimybė buvo vertinama tik 50%. Šį pavasarį buvo paskelbtas kitas straipsnis, kuriame susiliejimo tikimybė padidinta iki 90%. Per metus, žinoma, nepasikeitė nei pačios galaktikos, nei jų judėjimą valdantys fizikos dėsniai. Tačiau pasikeitė mokslininkų turimi duomenys ir jų interpretacija. Tokie nesutarimai, kaip ir artėjantis dar vienas atsakymo patikslinimas, o galbūt ir reikšmingas pakeitimas po Gaia DR4 išleidimo, yra puikus mokslinio proceso ir konsensuso paieškų pavyzdys.

Paukščių Tako ir Andromedos ateities scenarijai: galaktikos gali prasilenkti dideliu atstumu (viršuje kairėje) arba suartėti tiek, kad imtų vis stipriau sąveikauti (viršuje dešinėje) ir galiausiai susijungti (apačioje). Šaltinis: NASA/ESA

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Contribee platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti.

Kai kurias klausimo dėlionės dalis žinome labai seniai ir labai patikimai. Dar 1912 metais astronomas Vesto Slipheris išmatavo, kad Andromeda artėja mūsų link. Šiuo metu žinome, kad jos radialinis greitis Paukščių Tako link yra maždaug 110 km/s, o šio dydžio paklaida tėra keli km/s. Tuo metu dar net nežinojome, kad Andromeda yra galaktika, panaši į Paukščių Taką, o ne mažas ūkas mūsų Galaktikos pakraštyje. Panašiai tiksliai žinome ir atstumą iki Andromedos – 761 kiloparsekas, plius ar minus 11. Pagrindinė problema kyla bandant išmatuoti Andromedos greitį į šoną, statmena kryptimi. Jei šis greitis būtų panašus į radialinį, atstumas tarp galaktikų sumažėtų keletą kartų, tačiau jos prasilenktų šimtų tūkstančių parsekų atstumu ir nulėktų kiekviena sau. Bet jis toks nėra – geriausi šiandieniniai matavimai rodo, kad šoninis, arba tangentinis greitis yra apie 50 km/s, o paklaidų ribose – iki maždaug 70 km/s. Išmatuoti jį tiksliai – beprotiškai sudėtinga, nes tam reikia išmatuoti, kaip keičiasi Andromedos žvaigždžių padėtis dangaus skliaute, lyginant su daug tolimesnėmis galaktikomis ir kvazarais. 50 km/s greitis prilygsta maždaug 14 lanko mikrosekundžių per metus. 14 lanko mikrosekundžių yra tik truputėlį daugiau, nei vieno euro monetos, padėtos Mėnulio paviršiuje, skersmuo. Norėdami gauti patikimą greičio vertę, astronomai turi ne tik metaforiškai pamatyti tą monetą, bet ir perskaityti, kas ant jos parašyta.

Antras nežinomasis, svarbus bandant prognozuoti galaktikų ateitį – jų masės. Tiek Andromedos, tiek Paukščių Tako masės siekia apie trilijoną Saulės masių; Andromedos šiek tiek didesnė, nei mūsų Galaktikos. Tačiau net ir geriausi šių dydžių vertinimai turi bent dešimties procentų paklaidą, o kai kurie mokslininkai netgi teigia, kad Paukščių Tako masė gali būti gerokai – gal net penkis kartus – mažesnė.

Ir dar reikėtų nepamiršti, kad Paukščių Takas bei Andromeda nėra izoliuotos galaktikos. Šalia skrieja Trikampio, arba M33 galaktika, Didysis ir Mažasis Magelano debesys ir dar beveik šimtas palydovių. Jų masės, kartu sudedant žvaigždes, dujas ir tamsiąją materiją, neviršija maždaug penktadalio didžiųjų galaktikų masės, o daugumos yra gerokai mažesnės, bet net ir nedidelės perturbacijos, besitęsiančios milijardus metų, gali gerokai pakeisti didesniųjų galaktikų trajektorijas, o kartu ir susiliejimo prognozes.

Ilgą laiką konkrečių prognozių padaryti tiesiog nebuvo įmanoma, nes paprasčiausiai nežinojome, koks yra Andromedos greitis dangaus skliaute. 2008 metais paskelbtame straipsnyje buvo pristatyti bene pirmieji detalūs Paukščių Tako ir Andromedos judėjimo modeliai. Jo autoriai pasirinko modeliuoti sistemą pradedant keliais milijardais metų prieš dabartį – taip jie atsirinko modelius, kurie gali atkurti dabartinę galaktikų tarpusavio konfigūraciją, kaip labiau tikėtinus. Pagrindinė išvada – susiliejimas tikėtinas per keletą milijardų metų, kol Saulė dar bus gyva. Po ketverių metų, naudodami patikslintus duomenis, jog Andromedos tangentinis greitis yra tarp 0 ir 34 km/s, mokslininkai apskaičiavo, kad labiausiai tikėtinas scenarijus yra susiliejimas po beveik šešių milijardų metų. Gaia teleskopas šiek tiek pakeitė rezultatus ir padidino tangentinį greitį iki 26-92 km/s. Šiems skaičiavimams buvo naudojamas antrasis Gaia duomenų paketas; trečiojo paketo duomenys davė panašią, nors ir truputį didesnę vertę – 51-113 km/s; tiesa, ji buvo paremta ryškių mėlynų žvaigždžių stebėjimais, o raudonos žvaigždės davė kitokį rezultatą. Pernai kita astronomų grupė rado neatitikimo priežastį ir ją pašalino, o tai gerokai sumažino ir gaunamą greičio vertę – iki 23-71 km/s.

Dvi paskutinės duomenų korekcijos buvo panaudotos ir naujoms susiliejimo prognozėms. Praeitame straipsnyje aprašytas straipsnis, publikuotas žurnale pernai vasarą, naudojo ankstesnę, didesnę tangentinio greičio vertę. Jame buvo įtraukta Trikampio bei Didžiojo Magelano debesies galaktikų gravitacija. Gauta Paukščių Tako ir Andromedos susiliejimo tikimybė per artimiausius 10 milijardų metų buvo 54%. Tačiau modeliuojant tik dvi didžiąsias galaktikas, be mažesniųjų įtakos, tikimybė buvo dar mažesnė – tik 44%. Pridėjus tik Trikampio galaktiką, tikimybė išaugo iki 63%. Šių metų straipsnyje buvo naudojamas tas pat skaičiavimų kodas, tačiau pakeistos Andromedos ir Trikampio galaktikų judėjimo greičio vertės bei Andromedos tamsiosios materijos halo koncentracija. Susiliejimo tikimybė nuo 54% išaugo iki 90%, o pusė susiliejimų įvykdavo per 6,5 milijardo metų arba anksčiau.

Jei galaktikos ir jas valdantys fizikos dėsniai nesikeitė nei per metus, nei per dešimtmečius, kur slypi skirtingų išvadų šaknys? Priežastys čia dvi: paklaidos bei pačios prognozės pobūdis. Ilgamečiai stebėjimai davė daugiau duomenų, tačiau nuo fotonų teleskopo detektoriuje iki skaičiaus, reiškiančio Andromedos judėjimo greitį, kelias gana ilgas ir vingiuotas. Kai kurie netikslumai, atsirandantys šiame kelyje, priklauso tik nuo pačių fotonų išsibarstymo – jie vadinami atsitiktinėmis matavimo paklaidomis ir mažėja su augančiu duomenų kiekiu. Bet paklaidos gali būti ir sistematinės: netikslumai duomenų apdorojime ar interpretacijoje, kurių vien duomenų kiekiu nesumažinsi. Skirtumas tarp rezultatų, gaunamų analizuojant mėlynas ir raudonas žvaigždes, yra vienas toks pavyzdys.

Galaktikų judėjimas, veikiant tarpusavio gravitacijai, yra labai netiesinis procesas. Šis terminas praktikoje reiškia, kad pradinių sąlygų skirtumai laikui bėgant gali duoti vis labiau išsiskiriančius rezultatus. Tą gerai atskleidžia kai kurie modelių rezultatų grafikai. Pavyzdžiui, Andromedos ir Paukščių Tako padėtys erdvėje skaičiavimų pabaigoje skirtingose modelių realizacijose gali skirtis šimtais kiloparsekų – kone puse dabartinio tarpusavio atstumo. Pati susiliejimo tikimybė faktiškai priklauso nuo vieno konkretaus skaičiaus: ar per pirmąjį suartėjimą galaktikos prasilenks didesniu nei 200 kiloparsekų atstumu, ar mažesniu. Pirmuoju atveju jos nutolsta ir nesusijungia net per 10 milijardų metų, antruoju ima sąveikauti vis stipriau ir susilieja palyginus greitai po prasilenkimo. Kiekviena papildoma galaktika, įtraukta į modelį, sistemos evoliuciją daro vis sudėtingesnę. Net jų įtakos pobūdis nėra vienareikšmis. Pavyzdžiui, Didysis Magelano debesis gali ir padidinti, ir sumažinti didžiųjų galaktikų susiliejimo tikimybę. Viskas priklauso nuo didžiųjų galaktikų tarpusavio orbitos plokštumos, o ši priklauso nuo Andromedos greičio. Panašiai neaiškus ir Trikampio galaktikos likimas: 2025 metų straipsnio modeliuose ji dažniausiai susijungdavo su Andromeda anksčiau, nei ši susiliedavo su Paukščių Taku, o naujesniuose toks scenarijus nutikdavo tik kas penktoje konfigūracijoje. Iš kitos pusės, Didžiojo Magelano debesies susiliejimas su Paukščių Taku praktiškai garantuotas ir nutiks po 1-2 milijardų metų; tą beveik vienodai prognozuoja visi modeliai, nes tiek pats procesas, tiek palydovinės galaktikos greitis žinomi daug patikimiau.

Tiek galaktikų susiliejimo faktas, tiek šio įvykio laikas iš tikro yra labai konkretūs. Nagrinėjamose sistemose kvantiniai reiškiniai nereikšmingi, taigi iš principo, tiksliai žinodami visus reikšmingus parametrus, įvykius numatyti galėtume tiksliai. Tad visos pateikiamos paklaidos ar tikimybių procentai iš tiesų nurodo mūsų užtikrintumo ribas. Pavyzdžiui, “50% susiliejimo tikimybė per 10 milijardų metų” reiškia, kad tiek susiliejimo anksčiau, tiek vėliau nei 10 milijardų metų ateityje scenarijai vienodai gerai dera su šiandien mūsų turimais duomenimis. Su panašia situacija susiduriame kasdien, žiūrėdami orų prognozes. Pirmadienį pateikta prognozė gali rodyti, kad šeštadienį lis, o penktadienį pateikta – kad bus saulėta. Tai nereiškia, kad pirmadienį daryta prognozė buvo atlikta klaidingai, ar kad Žemės orai per kelias dienas radikaliai pasikeitė. Tiesiog atmosfera – irgi netiesinė sistema, ir ją prognozuoti sudėtinga, o kuo toliau į ateitį prognozuojame reiškinius, tuo mažiau ta prognozė yra patikima. Tiesa, orų prognozė nuo galaktikų susiliejimo prognozavimo skiriasi tuo, kad orai yra chaotiški, tad net ir labai nedideli pradinių sąlygų pakeitimai gali vesti prie reikšmingai skirtingų prognozių, o skirtumai dvigubėja per mažiau nei keturias paras. Tuo tarpu Vietinė galaktikų grupė nebūtinai yra chaotiška, o net jei tokia ir yra, chaosas joje turėtų pasireikšti per 10 milijardų metų ar ilgesnius laiko tarpus.

Orų prognozės paprastai būna pateikiamos su tam tikru paklaidų – nežinojimo – įvardinimu: temperatūros ar vėjo greičio intervalai, lietaus tikimybė procentais. Panašiai pernai žiniasklaida rašė ir apie susiliejimo tikimybes, pabrėždami, jog jis “gali ir nenutikti”. Tiesa, buvo rašoma ir apie susiliejimo “atšaukimą”. Tokio atsargumo sulaukiame ne visada; šįkart labai padėjo aiškūs NASA pranešimai spaudai ir pačių autorių atsargūs teiginiai, duodant interviu. Jie pabrėžė, kad gauti rezultatai nėra vienareikšmiški, ir iš kur kyla neapibrėžtumai. Naujausiojo tyrimo autoriai naudojo tą patį skaitmeninį modelį, kaip ir ankstesniojo, taigi jų rezultatai nesutampa tik dėl naudotų modelio įvesties verčių, o ne dėl metodinių skirtumų. Tai leido aiškiai įvertinti, ko reikia tolesniam progresui. Šiuo atveju reikia tikslesnių Andromedos judėjimo duomenų, kuriuos galbūt ir suteiks Gaia DR4. Jei jų tikslumo nepakaks, Europos kosmoso agentūra planuoja paskelbti ir penktąjį duomenų rinkinį, kuris aprėps visus 10,5 metų teleskopo stebėjimų. Šie duomenys dar patikslins Andromedos greitį ir to, tikėkimės, užteks, kad galėtume užtikrintai pasakyti, kas ir kada nutiks mūsų Galaktikai. Jo palaukti reikės bent iki 2030-ųjų pabaigos.

Galaktikų susiliejimai – tikrai ne vienintelė sritis, kur nauji duomenys ir jų interpretacija keičia, atrodytų, gerai nusistovėjusias išvadas. Pastaraisiais metais panašūs ginčai kyla ir apie paties Paukščių Tako masę. Apie šiuos nesutarimus parašysiu sekančiame tekste.

Laiqualasse