Nekoreguojami

Nekoreguojami

Nekoreguojami

2018. 12. 04

Kastytis Zubovas, "Konstanta 42". Kąsnelis Visatos CCCLVII: Branduoliai

Praėjusios savaitės naujienose daug žinių apie aktyvius galaktikų branduolius ir jų pagrindines komponentes – supermasyvias juodąsias skyles. Vieni branduoliai padeda susigaudyti, kaip sparčiai per Visatos istoriją formavosi žvaigždės, kitų strūktūrą pavyko išnagrinėti taip detaliai, kaip niekad anksčiau. Detaliai išnagrinėti pavyko ir supernovos sprogimą, kuris netikėtai užfiksuotas nuo pat pradžios. Gero skaitymo!

***

Praeitą savaitę sėkmingai nusileidęs InSight yra kitoks, nei dauguma ankstesnių Marso misijų. Veritasium pasakoja apie penkis dalykus, kuriuos šis zondas darys pirmasis:

Saturno spinduliuotės žiedų kilmė. Kelios planetos Saulės sistemoje turi magnetosferas, kuriose magnetiniai laukai įgreitina elektringas daleles ir suformuoja žiedus. Žemėje šios struktūros vadinamos Van Aleno žiedais, taip pat jos stebimos Saturne ir Jupiteryje. Saturno elektronų žiedų kilmė kol kas nėra išaiškinta. Ilgą laiką buvo manoma, kad elektronus magnetinis laukas įgreitina nuolatos stumdydamas juos planetos link – kiekvieno pastūmimo metu dalelės įgyja šiek tiek energijos. Bet dabar pristatyti nauji skaičiavimai ir stebėjimų duomenų analizė, rodantys, kad greičiausiai pagrindinis mechanizmas yra kitoks. Šis mechanizmas yra sąveika tarp elektronų ir elektringų dalelių plazmoje kylančių vadinamųjų Z formos bangų. Panaši sąveika vyksta ir Žemės bei Jupiterio magnetosferose, tik jose elektronus įgreitina vadinamosios choro bangos. Z bangos sklinda kitokiu greičiu ir kitokia kryptimi lyginant su magnetinio lauko kryptimi. Anksčiau buvo manoma, kad dalelių-bangų sąveika Saturno magnetosferoje yra nereikšminga, bet šis tyrimas parodė, jog yra kaip tik priešingai. Elektronai, sąveikaudami su plazmos bangomis, keturių Saturno spindulių atstumu nuo planetos gali įgyti megaelektronvoltų eilės energijas – šimtus ar net tūkstančius kartų didesnes, nei dalelių energija Žemės magnetosferoje ir panaši į Jupiterio magnetosferos dalelių energiją. Skaitmeniniai modeliai taip pat parodė, kad būtent sąveika su Z bangomis sukuria elektronų energijų spektrą, atitinkantį stebėjimus, o kiti mechanizmai stebėjimus paaiškina tik pridėjus sudėtingus dalelių pernašos procesus. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Communications.

***

Daugybė tarpžvaigždinių svečių. Prieš kiek daugiau nei metus aptiktas pirmasis tarpžvaigždinis objektas Saulės sistemoje – 'Oumuamua. Tai yra labai pailgas asteroidas ar kometa, kuris praskrido netoli Saulės ir, šiek tiek pasisukęs, nulėkė tolyn į tarpžvaigždinę erdvę. Bet tarpžvaigždinių svečių, ar net ilgalaikių gyventojų, Saulės sistemoje gali būti žymiai daugiau – bent jau taip rodo nauji skaičiavimai. Juose įvertinta, kiek pro šalį skrendančių asteroidų galėjo pagauti Saulė – tiksliau, Saulės-Jupiterio pora – per visą savo gyvenimą. Gautas skaičius – keli tūkstančiai svečių. Tai nėra labai daug, tačiau pakankamai, kad būtų verta bandyti juos aptikti ir tyrinėti detaliai. Mat priešingai nei 'Oumuamua, šie svečiai būtų pagauti į stabilias orbitas. Tarpžvaigždinių asteroidų orbitos skiriasi nuo vietinės kilmės analogų – jie dažnai turėtų skrieti priešinga kryptimi, nei įprasti asteroidai, arba išvis statmenai Saulės sistemos plokštumai. Bent keturi šiuo metu žinomi objektai, besisukantys panašiu atstumu nuo Saulės, kaip Jupiteris, atitinka tikėtinas tarpžvaigždinių asteroidų savybes. Artimiausiu metu planuojamos apžvalginių stebėjimų misijos turėtų jų aptikti bent kelias dešimtis. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Cheminių elementų gamyba supernovose. Masyvios žvaigždės, baigdamos savo gyvenimus, sprogsta supernovomis. Sprogimų metu susiformuoja nemaža dalis cheminių elementų, sunkesnių už geležį. Tačiau šio proceso detalės nėra iki galo aiškios. Žinoma, kad sunkesnių elementų sintezei reikalinga labai didelė energija, bet nežinia, kaip sprogimo energija sutelkiama į labai mažus erdvės tūrius, kuriuose ir vyksta branduolinės reakcijos. Įprastai laikoma, kad energija perduodama turbulencijos – skirtingo masto sūkurių – pagalba, bet nauji skaitmeniniai modeliai rodo kitaip. Supernovos sprogimas destabilizuoja visą žvaigždės medžiagą ir sunaikina jos sferinę simetriją. Plintančiame dujų kiaute formuojasi įvairūs nestabilumai, kurie dalį dujų sustumia į tankesnes sankaupas. Kai kurios iš jų gali būti pakankamai tankios ir karštos, kad jose prasidėtų sintezės reakcijos. Bendra energijos pernašos, kylančios dėl nestabilumų, sparta taip pat yra pakankama, kad paaiškintų stebimus cheminių elementų kiekius supernovų liekanose, net nepridedant turbulencijos. Nors turbulencija ir nestabilumai iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti panašūs procesai, iš tiesų jie gerokai skiriasi, o šių skirtumų supratimas padės geriau įvertinti ir cheminių elementų gamybos spartą, ir kitas supernovų savybes. Tyrimo rezultatai publikuojami PNAS.

***

Ia tipo supernovos pradžia. Supernovų sprogimų prognozuoti negalime, tad paprastai detalūs jų stebėjimai prasideda tik praėjus kelioms valandoms po sprogimo: tiek laiko užtrunka sprogimą pastebėti ir jo link nukreipti jautrius teleskopus. Tačiau Keplerio misijos metu aptiktoms supernovoms šis apribojimas negalioja, nes visos žvaigždės stebimos ilgą laiką. Viena tokia supernova, SN2018oh, pasirodė esanti gana neįprasta. Ši supernova yra Ia tipo – tokios supernovos dar vadinamos termobranduolinėmis, nes jos kyla, kai termobranduolinės reakcijos į gabalus sudrasko baltąją nykštukę. Įprastai jos šviesėja apie tris savaites, o vėliau panašiai lėtai blėsta. SN2018oh – daug greitesnė: maksimalų šviesį ji pasiekė vos per dvi paras, paskui panašiai greitai priblėso ir tada jau ėmė evoliucionuoti kaip įprasta šio tipo atstovė. Iš viso šio staigaus žybsnio metu išskirta maždaug tiek energijos, kiek Saulė išspinduliuoja per šimtą metų. Tai yra tik nedidelė dalis visos supernovos energijos – pastaroji siekia dešimt milijonų kartų daugiau – tačiau vis tiek kelia klausimą, kas sukėlė netipišką elgesį. Kelios hipotezės jau atmestos – žybsnis neatitinka tikėtino vaizdo, kuris susidarytų supernovos išmestai medžiagai sąveikaujant su šalia esančia žvaigžde-kompanione arba žvaigždę supančiu dujų apvalkalu. Tačiau gali būti, kad SN2018oh pirmtakėje išoriniai ir vidiniai žvaigždės sluoksniai maišėsi daugiau, nei įprasta, todėl jos išorėje buvo daug radioaktyvaus nikelio. Pastarojo kuriama spinduliuotė nulemia Ia tipo supernovų lėtą blėsimą, tačiau įprastai iš žvaigždės centrinių dalių radioaktyvus nikelis išsiveržia tik po keleto dienų nuo sprogimo. Šiuo atveju nikelio buvo ir netoli žvaigždės paviršiaus, todėl spinduliuotė tapo matoma daug anksčiau. Tyrimo rezultatus rasite arXiv esančiuose dviejuose straipsniuose.

***

Kamuolinis spiečius NGC 1866. Šaltinis: ESA/Hubble ir NASA

Kamuoliniai spiečiai yra šimtų tūkstančių ar milijonų žvaigždžių telkiniai. Vien Paukščių Take jų yra apie pusantro šimto, kitose galaktikose – panašiai. Ilgą laiką buvo manoma, kad visos vieno spiečiaus žvaigždės yra vienodo amžiaus, tačiau pastaraisiais metais aptikta ir kitokių pavyzdžių. Čia matomas NGC 1866 – vienas iš jų. Jis yra pakankamai arti, kad galėtume tyrinėti pavienes jame esančias žvaigždes – tai leido nustatyti, kad keli procentai spiečiaus žvaigždžių yra daug jaunesnės už kitas. Vadinasi, pirmosios spiečiuje susiformavusios žvaigždės neišmetė iš jo visų dujų, o iš likusiųjų susiformavo šiek tiek naujų žvaigždžių.

***

Pirmykštės galaktikos aplinkinėje Visatoje. Visos galaktikos laikui bėgant kinta – jose formuojasi ir miršta žvaigždės, jos jungiasi su kitomis. Tačiau ne visos kinta vienodai greitai. Kai kurios galaktikos patiria daugiau susiliejimų, kitos – mažiau. Dabar pristatyta išsamiausia analizė galaktikų, esančių palyginus netoli Paukščių Tako, tačiau išlaikiusių senovines savybes. Šių galaktikų masė panaši į Paukščių Tako, tačiau dydis – gerokai mažesnis. Jų tipiniai spinduliai siekia vos apie 2 kiloparsekus ir mažiau – tris kartus mažiau, nei Paukščių Tako. Gana daug panašių galaktikų randama tolimoje Visatoje – prieš 10-11,5 milijardo metų. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad šiek tiek jų turėtų išlikti ir iki šių dienų; naujasis tyrimas parodė, kad taip ir yra. Jo metu aptiktos 22 tikrai kompaktiškos masyvios galaktikos ir dar septynios, kurių masė galbūt mažesnė, nei Paukščių Tako. Tai tikrai nedidelis skaičius – kompaktiška yra maždaug viena iš milijono galaktikų aplinkinėje Visatoje. Toks rezultatas puikiai atitinka skaitmeninių modelių prognozes. Įdomu tai, kad kompaktiškos galaktikos atrastos labai įvairiose aplinkose – ir tuštumose tarp galaktikų spiečių, ir spiečiuose, be to, net trys ketvirčiai šių galaktikų šiuo metu aktyviai formuoja žvaigždes. Taigi, nors ir nepatyrusios susiliejimų per pastaruosius 10 ar daugiau milijardų metų, kompaktiškos galaktikos tikrai nėra vien fosilijos iš ankstyvųjų Visatos laikų. Detalesnis šių galaktikų savybių nagrinėjimas padės geriau suprasti, kiek įtakos galaktikų evoliucijai turi susiliejimai, o kiek – vidiniai procesai. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Tarpgalaktiniai kamuoliniai spiečiai. Žvaigždės gimsta spiečiuose, kuriuose būna nuo kelių šimtų iki kelių milijonų žvaigždžių. Kai kurie spiečiai subyra greitai, o kiti gali išgyventi milijardus metų. Mūsų Paukščių Takas turi apie 150 tokių kamuolinių spiečių, daugiausiai skraidančių Galaktikos hale. Tankiuose galaktikų telkiniuose galaktikų tarpusavio gravitacinė sąveika gali nuplėšti halo žvaigždes ir kamuolinius spiečius ir išbarstyti juos tarpgalaktinėje erdvėje. Dabar pristatyti Hablo teleskopo stebėjimų duomenys, kuriuose aptikti daugiau nei 22 tūkstančiai kamuolinių spiečių Garbanų galaktikų spiečiuje. Spiečių yra žymiai daugiau, nei galaktikų, taigi jie yra labai naudingi norint nustatyti galaktikų spiečiaus gravitacinio lauko struktūrą. Atplėšti kamuoliniai spiečiai migruoja į tas galaktikų spiečiaus vietas, kuriose gravitacija yra stipriausia. Jų išsidėstymas parodė, kad trys didžiausi medžiagos sutankėjimai Garbanų spiečiuje supa tris masyviausias galaktikas, bet yra gerokai didesni už jų regimuosius dydžius. Taip pat sutankėjimai formuoja gijas, kurios jungia galaktikas tarpusavyje. Ateityje tokį medžiagos pasiskirstymo tyrimų metodą bus galima pritaikyti ir kitiems galaktikų spiečiams. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Dinamiškas aktyvaus branduolio toras. Aktyvius galaktikų branduolius – supermasyvias juodąsias skyles, į kurias krenta ir stipriai švyti dujos – supa šaltų dujų žiedai, vadinami torais. Nors apie torų egzistavimą žinome apie 30 metų, jų kilmė ir struktūra kol kas nėra išaiškintos. Įprastai teigiama, kad toras yra ilgaamžis žiedas, besisukantis aplink aktyvų branduolį. Tokia interpretacija kelia įvairių klausimų, pavyzdžiui kodėl kai kurie torai nuo galaktikos centro nutolę mažiau nei parseką, o kiti – daugiau nei šimtą. Dabar pristatyti nauji Skriestuvo (Circinus) galaktikos stebėjimai, kurie atskleidė labai dinamišką toro vaizdą. Šaltų dujų žiedas nėra ilgalaikė struktūra – ji susiformuoja, kai vėstančios dujos krenta į vieną plokštumą. Šios dujos atsiranda tėkmėse, plintančiose iš galaktikos centro. Toro skersmenį nulemia tėkmių greitis ir aktyvaus branduolio spinduliuotės kitimas – stipresnė spinduliuotė leidžia dujoms nutolti didesniu atstumu iki atvėstant. Šaltos dujos po truputį artėja prie juodosios skylės ir ją maitina iš naujo, sukeldamos naują aktyvumo epizodą. Visas dujų apykaitos ciklas panašus į fontano veikimą. Šie rezultatai padės geriau suprasti aktyvių branduolių struktūrą, o ateityje galbūt leis netgi prognozuoti juodosios skylės aktyvumo epizodų savybes. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Kvazaro centro struktūra. Prieš kiek daugiau nei pusšimtį metų aptikti pirmieji kvazarai – labai tolimi, bet labai šviesūs aktyvūs galaktikų branduoliai. Jų šviesą skleidžia dujos, krentančios į supermasyvią juodąją skylę. Arti pastarosios esančios dujos juda didžiuliais greičiais, kartais siekiančiais nemažą dalį šviesos greičio, bet išskirti šiuos debesis kol kas buvo neįmanoma. Dujų judėjimo greitis buvo nustatomas tik iš jų spektro pokyčio: artėjančių dujų šviesa yra mėlynesnė, tolstančių – raudonesnė. Dabar pirmą kartą pavyko skirtingai judančias dujas išskirti erdviškai. Stebėjimams pasirinktas kvazaras 3C 273 – tas pats, nuo kurio septintajame dešimtmetyje prasidėjo jų tyrimai. Naudodami labai jautrų instrumentą GRAVITY, įmontuotą Labai dideliame teleskope Europos pietinėje observatorijoje Čilėje, astronomai pasiekė beprecedentę 10 kampinių mikrosekundžių erdvinę raišką; tai palyginama su 1 euro monetos išskyrimu Mėnulio paviršiuje. Kvazaro 3C 273 atstumu tokia raiška atitinka 0,03 parseko atstumą – mažesnį, nei tipiniai atstumai iki greitai skriejančių dujų debesų. Rezultatai parodė, kad dujos vienoje aktyvaus branduolio pusėje juda mūsų link, kitoje – tolsta, kaip ir tikėtasi. Atstumas tarp tolstančių ir artėjančių debesų yra apie 0,24 parseko, arba 0,12 parseko į kiekvieną pusę nuo centro – šis dydis taip pat atitinka senesnių stebėjimų ir skaičiavimų rezultatus. Taigi naujasis tyrimas ir patvirtina anksčiau naudotų metodų teisingumą, ir suteikia naują būdą tyrinėti aktyvių branduolių struktūras. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature.

***

Visatos žvaigždėdaros istorija. Žvaigždės Visatoje formavosi nevienodu greičiu – pirmus trejetą milijardų metų žvaigždėdara nuolatos spartėjo, vėliau – lėtėjo. Iki šiol šią priklausomybę detaliai nagrinėti galėjome tik maždaug iki žvaigždėdaros piko prieš 10 milijardų metų. Tuo tarpu tolimos galaktikos yra pernelyg blausios, kad aptiktume jas visas, todėl įvertinti visą žvaigždėdaros spartą ankstyvais laikais buvo galima tik ekstrapoliuojant ryškiausių galaktikų duomenis. Dabar Visatos žvaigždėdaros istorija išmatuota kitu būdu – įvertinant, kiek žvaigždės iš viso išspinduliavo fotonų. Fotonus „gaudyti“ padeda blazarai – aktyvūs galaktikų branduoliai, spinduliuojantys labai daug gama spindulių mūsų link. Gama fotonai, skriedami kosmose, sąveikauja su mažesnės energijos fotonais ir išnyksta suformuodami elektronų-pozitronų poras, todėl blazaro šviesa priblėsta priklausomai nuo to, kiek fotonų yra tarp jo ir mūsų. Matavimams pasirinkti 739 blazarai ir vienas gama spindulių žybsnis. Taip tarpgalaktinių fotonų skaičius išmatuotas įvairiomis kryptimis ir atstumais. Gauti rezultatai patvirtino ankstesnius rezultatus apie žvaigždėdaros istoriją per pastaruosius 10 milijardų metų, taip įrodant, jog metodas tikrai veikia. Žvaigždėdaros sparta senesniais laikais tikrai buvo lėtesnė, nei piko metu, bei parodo, kad prieš maždaug 12,8 milijardo metų Visatoje buvo daug mažiau blausių galaktikų, nei tikėtasi iki šiol. Dar senesnių laikų duomenys kol kas neišmatuoti, bet tą galbūt pavyks padaryti ateityje. Tyrimo rezultatai publikuojami Science.

***

Pirmosios žvaigždės Visatoje. Gali būti, kad pirmosios supermasyvios juodosios skylės atsirado kolapsuojant supermasyvioms žvaigždėms. Tokių pirmykščių darinių masė galėjo siekti dešimtis ar net šimtus tūkstančių Saulės masių. Supermasyvios žvaigždės egzistavo gana trumpai – po kelis šimtus tūkstančių metų – ir tik tada, kai Visatos amžius buvo 180-280 milijonų metų. Dabar pristatyti tokių žvaigždžių spektrų skaičiavimai. Šiuos objektus turėtų gaubti 6000-8000 laipsnių temperatūros krentančių dujų apvalkalai. Jie sugeria didžiąją dalį centrinio kūno spinduliuotės ir šviečia infraraudonaisiais spinduliais. Viena žvaigždė galėtų šviesti taip ryškiai, kaip dešimt milijardų Saulių. Tokį ryškų objektą, net ir esantį taip toli, galėtų aptikti James Webb kosminis teleskopas, kuris turėtų pakilti į orbitą per artimiausius kelerius metus. Kiti planuojami teleskopai, jautrūs infraraudoniesiems spinduliams, tokie kaip Euclid ir WFIRST, turėtų aptikti tokias žvaigždes, jei jos dar egzistavo Visatai esant 500 milijonų metų amžiaus. Taigi gali būti, kad per artimiausius dešimt metų galėsime tvirtai patikrinti šią supermasyvių juodųjų skylių kilmės hipotezę. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Konstanta 42 yra FTMC dirbančio astrofizikos mokslų daktaro Kastyčio Zubovo blogas apie Visatą, kuriame pristatomi įvairūs dalykai, susiję su fizika ir kitais mokslais. Taip pat kartais pasitaiko įrašų apie fantastiką, tolkinizmą, istoriją. Kodėl Konstanta 42? Tai yra atsakymas į visus gyvenimo klausimus.