Nekoreguojami

Nekoreguojami

Nekoreguojami

2019. 05. 14

K. Zubovas, "Konstanta 42". Kąsnelis Visatos CCCLXXXI: Technologijos

Kosminės technologijos tobulėja tiesiog akyse. Vos prieš mėnesį paskelbta pirmoji juodosios skylės nuotrauka, bet jau yra planų, kaip tas nuotraukas pagerinti bent penkis kartus, prijungiant prie stebėjimų orbitinius teleskopus. Tuo tarpu arčiau Žemės net kelios kompanijos per porą metų žada apjuosti planetą interneto palydovų tinklu, o Tarptautinėje kosminėje stotyje bus bandoma gyvybės palaikymo sistema, įtraukianti dumblius. Kitose naujienose – įvairenybės nuo vandens apytakos Marse iki tolimiausių galaktikų spiečių, ir nuo planetų migracijos iki pirmųjų žvaigždžių sprogimų. Gero skaitymo!

***

Kosminio interneto sektoriaus konkurencija. Šiuo metu yra bent trys kompanijos, aktyviai rengiančios planus ar jau gaminančios palydovus kosminiam internetui – ryšių tinklui, apjuosiančiam Žemę ir suteiksiančiam klientams interneto ryšį visame pasaulyje. SpaceX ir jos Starlink projektui iššūkį meta kompanija OneWeb, praeitą savaitę apie savo Kuiper projektą paskelbė ir Amazon vadovas Jeffas Bezosas. Kol kas šie projektai yra mažesni už Starlink – OneWeb iki 2021 metų ketina iškelti 600 palydovų, Kuiper – 3236, tuo tarpu Starlink turi leidimą pakelti 12 tūkstančių, – tačiau vis tiek kyla klausimas, ar jiems užteks vietos ir metaforiškai, ir tiesiogine prasme. Palydovai turėtų skraidyti žemojoje Žemės orbitoje, kelių šimtų kilometrų aukštyje, nes signalo siuntimo į geostacionarią orbitą trukmė – beveik dešimtadalis sekundės – yra didesnė, nei įprasta plačiajuosčio interneto ryšio delsa. Taip pat kyla klausimas, kiek klientų sutrauks tokia paslauga, nes ji nėra labai aktuali miestiečiams, kurie jau turi prieigą prie spartaus interneto. Tuo tarpu dykumose ar kitose periferinėse vietovėse, kur palydovinis internetas būtų naudingas, nėra daug mokėti norinčių ar galinčių vartotojų. Taigi kompanijos greičiausiai pirmiausia siūlys paslaugą laivams ir avialinijoms. Šioje vietoje konkurentai šiek tiek baiminasi Amazon atėjimo į rinką – ši kompanija ir jos vadovas yra pakankamai turtingi, kad galėtų ilgą laiką vystyti tokį projektą nuostolingai, išstumti konkurentus iš rinkos ir tada diktuoti savo sąlygas. Pirmieji interneto ryšį skleisiantys palydovai pakilti turėtų jau šiemet, o didelę Žemės dalį dengiantys tinklai susiformuoti per artimiausius porą metų, taigi neilgai trukus sulauksime atsakymų į šiuos klausimus.

***

Kosminiai skrydžiai kainuoja labai daug, nes visą krovinį bei infrastruktūrą reikia pakelti nuo Žemės paviršiaus. Bet tą galima pakeisti, gaminant bent dalį įrangos kosmose. Apie tokius planus ir jų realistiškumą pasakoja Fraser Cain:

***

Kosminis juodųjų skylių stebėjimas. Neseniai paskelbta juodosios skylės M87* nuotrauka. Šis objektas yra vienas iš dviejų, ties kuriuo dirbo Įvykių horizonto teleskopo projekto mokslininkai; antroji juodoji skylė yra mūsų Galaktikos centre esanti Šaulio A*. Kitos juodosios skylės yra pernelyg mažos, kad galėtume jas išskirti, naudodami ant Žemės stovinčių teleskopų tinklą. Tačiau pridėję kelis kosminius teleskopus, arba išvis jais pakeitę antžeminius, galėtume pasiekti daug geresnių rezultatų – keletą kartų didesnę nuotraukų raišką ir ryškesnius vaizdus. Įvykių horizonto teleskopas apjungia pavienius teleskopus į tinklą, naudodamas interferometriją – stebėjimų būdą, kai fiksuojamas ne tik šviesos bangų intensyvumas, bet ir jų fazė, t.y. kuri bangos dalis (ketera, įduba ar vidurys) pasiekia teleskopą. Taip du teleskopai gali veikti kaip vienas, kurio dydis prilygsta atstumui tarp jų, bet tik ta viena kryptimi, sutampančia su linija tarp teleskopų. Kosmose skraidančių teleskopų padėtys nuolatos kinta, todėl kinta ir atstumai tarp jų, ir kryptys. Vadinasi, galėtume gauti daug detalesnį vaizdą. Taip pat teleskopai galėtų nutolti daug didesniu atstumu vienas nuo kito – taip būtų galima išskirti daug mažesnius objektus, pavyzdžiui kitas juodąsias skyles. Galiausiai, netrukdomi Žemės atmosferos, teleskopai galėtų stebėti dangų trumpesnių bangų diapazone, kur vaizdai būtų ryškesni ir mažiau užgožti iš juodosios skylės lekiančios medžiagos čiurkšlės. Aišku, tokiam projektui kyla įvairūs techniniai iššūkiai: kaip suvaldyti daugybę teleskopų ir labai tiksliai sekti atstumus tarp jų. Bet visa tai – išsprendžiama. Tyrimo koncepciją pristatantį straipsnį rasite arXiv.

***

Dumbliai kosminėse misijose. Kuo ilgesnė ir tolimesnė kosminė misija, tuo svarbesnis yra efektyvus resursų panaudojimas – pakeliui į Marsą nepavyks papildytų išteklių maistu, vandeniu ar deguonimi. Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) ne vienerius metus vykdomi įvairūs tyrimai, skirti ateities misijų komponentų išbandymui. Dabar TKS planuojamas pusmetį truksiantis eksperimentas, kurio metu astronautai augins dumblius. Dumbliai, ypač eksperimentui pasirinkta rūšis Chlorella vulgaris, plačiai naudojami pramonėje, nuo pramoninių atliekų surišimo ir valymo užduočių iki maisto papildų. Tikimasi, kad dumbliai galės ateityje pasitarnauti kaip gyvybės palaikymo sistemos dalis kosminėse misijose. C. vulgaris fotosintezės efektyvumas yra dešimt kartų didesnis, nei sudėtingesnių augalų, taigi jie būtų puiki oro valymo sistema. Išaugusi dumblių biomasė gali tapti astronautų dietos dalimi – ši dumblių rūšis jau dabar naudojama gyvulių pašarams ir maisto papildams, nes savyje turi daug vitaminų ir naudingų riebalų rūgščių. Iki šiol TKS keletą kartų buvo patikrintas dumblių atsparumas kosmoso sąlygoms, bet šis eksperimentas yra pirmasis, kai dumbliai kosmose bus auginami. 180 dienų turėtų užtekti patikrinimui, kaip gerai dumbliai auga ir surenka anglies dvideginį; eksperimento pabaigoje išaugę dumbliai bus pargabenti į Žemę, kur, palyginus juos su Žemėje augintomis kolonijomis, bus galima nustatyti mikrogravitacijos įtaką augalų augimui. Bendrai šis eksperimentas yra dalis platesnių bandymų pakeisti grynai mechanines gyvybės palaikymo sistemas į hibridines, įtraukiančias organinius komponentus, kad kosminių misijų metu uždara erdvėlaivio biosfera taptų kuo panašesnė į natūralią žemiškąją.

***

Senovinis vanduo asteroido mėginiuose. Didžiąją dalį vandens į Žemę greičiausiai atnešė kometos ir asteroidai, tačiau tikslios šio proceso detalės nėra žinomos. Pavyzdžiui, vandens molekulės būna kelių tipų – kartais vieną arba abu vandenilio atomu pakeičia sunkesni deuterio izotopai, turintys vieną papildomą neutroną; toks vanduo vadinamas sunkiuoju. Teoriškai Žemėje esančio sunkaus ir įprasto vandens kiekio santykis turėtų atitikti jį atnešusių objektų vandens savybes. Tačiau Saulės sistemos kometose sunkaus vandens dalis yra žymiai didesnė, nei Žemėje. Asteroiduose sunkaus vandens dalis panaši į Žemės, bet apskritai vandens ten labai nedaug. Bent jau taip buvo įprastai manoma, tačiau nauji asteroido Itokawa mėginių tyrimai rodo ką kita. Dar 2005 metais Japonijos zondas Hayabusa paėmė asteroido paviršiaus medžiagos mėginių ir 2010 metais juos pargabeno į Žemę. Dabar keletas mėginių išnagrinėti, ieškant juose vandens molekulių. Nustatyta, kad jų ten yra, ir visai nemažai – 0,07-0,1% mėginių masės. Tai yra didesnė masės dalis, nei Žemėje. Tiesa, įvertinta, kad asteroidas, iš kurio kadaise susiformavo Itokawa, vandens greičiausiai turėjo 2-5 kartus mažiau, bet ir tai yra palyginami skaičiai su vandens gausa Žemėje. Be to, asteroido mėginiuose aptikta deuterio gausa visiškai atitinka jo gausą Žemės vandenyje. Taigi tokie asteroidai, kaip Itokawa, galėjo būti Žemės vandens šaltinis. Manoma, kad šie asteroidai formavosi 0,3-3 astronominių vienetų atstumu nuo Saulės, ir sistemos jaunystėje dažnai nukrisdavo į planetas. Tai nėra galutinis atsakymas, kaip Žemėje atsirado vanduo, bet svarbi dėlionės dalis. Tyrimo rezultatai publikuojami Science Advances.

***

Vandens apytaka Marso atmosferoje. Prieš savaitę rašiau apie tyrimą, kuriuo nustatyta, jog dulkių audros pakelia vandens molekules aukštai į Marso atmosferą ir taip spartina vandens pabėgimą iš planetos. Dabar kitame tyrime nustatytas dar vienas mechanizmas, prisidedantis prie vandens apytakos tarp Marso paviršiaus ir viršutinių atmosferos sluoksnių. Skaitmeniniais modeliais parodyta, kad kartais Marso atmosferoje atsiveria „langai“, leidžiantys vandens garams sparčiai pabėgti į kosmosą. Marso orbita yra gerokai labiau elipsinė, nei Žemės, todėl skirtumas tarp vasaros temperatūrų priešinguose pusrutuliuose – reikšmingas. Didžiąją Marso metų dalį atmosferoje, maždaug 60 km aukštyje, temperatūra yra tokia žema, kad kylantys vandens garai kristalizuojasi ir iškrenta atgal ant planetos paviršiaus. Situacija pasikeičia tik pietų pusrutulio vasarą, kuri yra gerokai šiltesnė, nei šiaurės pusrutulyje. Arti ašigalio, didesnėje nei 60 laipsnių platumoje, apie vidurvasarį oras įšyla tiek, kad žemos temperatūros sluoksnis pranyksta ir vandens garai gali kilti neribotai aukštai. Pakilusius juos po visą Marsą išnešioje horizontalūs atmosferos srautai. Šie rezultatai gauti skaitmeniniais modeliais, taigi juos dar reikėtų patikrinti stebėjimais, nagrinėjant atmosferos sudėtį pietų pusrutulio vidurvasarį ir kitais metų laikais. Tyrimo rezultatai publikuojami Geophysical Research Letters.

***

Saturno žiedai, Titano ir Encelado siluetai. Šaltinis: NASA, ESA, JPL, SSI, Cassini Imaging Team

Kai Mėnulis įsibrauna tarp Žemės ir Saulės, matome Saulės užtemimą. Kitų planetų sistemose analogiškos konfigūracijos būna daug įvairesnės ir įdomesnės. Šioje nuotraukoje matome Saturno sistemos peizažą, nutviekstą Saulės, pasislėpusios už Titano. Titano atmosfera išsklaido Saulės spindulius ir yra matoma kaip aureolė aplink tamsų palydovo siluetą. Prieš Titaną skrenda mažesnis Enceladas, kurio apačioje įmanoma įžiūrėti vandens čiurkšles. Na ir, aišku, priekyje matome Saturno žiedus, kurie dėl apšvietimo krypties atrodo tarsi negatyvinė nuotrauka.

***

Planetų grupių migracija. Jaunos planetos, sąveikaudamos tarpusavyje ir su protoplanetiniu disku, migruoja iš savo susiformavimo vietų. Šis procesas paaiškina, pavyzdžiui, dujinių milžinių egzistavimą labai arti žvaigždžių. Taip arti planeta negalėjo susiformuoti, bet galėjo ten atmigruoti, sąveikaudama su disku. Uolinės planetos irgi sąveikauja su disku, tačiau silpniau, todėl negali migruoti arčiau žvaigždės, nei disko vidinis kraštas. Įprastai protoplanetinių diskų vidinė riba yra maždaug tokiu atstumu, kuriuo skriejantis kūnas ratą aplink žvaigždę apsuka per dešimt dienų, tačiau uolinių planetų randame ir su trumpesnėmis orbitomis. Naujame tyrime pateikiamas galimas tokių planetų migravimo paaiškinimas. Skaitmeniniais modeliais išnagrinėta įvairių jaunų planetinių sistemų evoliucija, sekant protoplanetinio disko ir jame esančių uolinių planetų judėjimą. Nors planetos nustoja sąveikauti su disku, kirtusios jo vidinį kraštą, jos ir toliau sąveikauja su kitomis planetomis. Dažnai kelios planetos išsidėsto rezonanso konfigūracijoje – vienos planetos periodas tampa dvigubai didesnis, nei kitos, keturgubai didesnis, nei trečios, ir panašiai. Rezonanso konfigūraciją suardyti yra sudėtinga, taigi kai vidinė tokios grandinėlės planeta priartėja arčiau žvaigždės, nei disko vidinė riba, ji gali artėti toliau, stumiama tolimesnių planetų gravitacijos. Šios planetos, savo ruožtu, vis dar sąveikauja su disku ir tęsia migraciją artyn žvaigždės. Vėliau, diskui išsisklaidžius, tokioje sistemoje matysime grupę planetų rezonansinėse orbitose. Tokios sistemos stebimos gana dažnai, žinomiausias pavyzdys yra TRAPPIST-1 septynių uolinių planetų sistema. Tuo tarpu Saulės sistemoje panašaus rezonanso nebuvo, todėl uolinės planetos liko palyginus toli nuo žvaigždės – net ir Merkurijaus metais trunka 88 Žemės paras. Tiesa, šie skaitmeniniai modeliai prognozuoja šiek tiek mažiau artimų žvaigždėms uolinių planetų, nei yra stebima, taigi jų migraciją galimai skatina ir kažkokie kiti efektai. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Kas nulemia planetos gyvybingumą? Kalbėdami apie egzoplanetas, galimai tinkamas gyvybei, astronomai dažniausiai koncentruojasi į gyvybinę zoną – regioną prie žvaigždės, kuriame esančių planetų paviršiaus temperatūra tinkama skystam vandeniui egzistuoti. Toks apibrėžimas yra paprastas ir lengva apskaičiuoti zonos dydį, bet, žinoma, jis toli gražu nėra pilnas. Naujame tyrime grupė astronomų ragina pakeisti požiūrį ir nagrinėti planetas pilniau. Šiuo metu jau galime nustatyti ne tik egzoplanetos masę ir spindulį, bet dažnai pažvelgiame ir į atmosferą. Netrukus planetų atmosferas galėsime nagrinėti taip detaliai, kad sudarinėsime jų katalogus. Bet tai yra tik pirmas sluoksnis, kurį turime išnagrinėti, ieškodami tikrai gyvybei tinkamų planetų. Planetos paviršius, jos gelmės, bei visoje planetoje vykstantys procesai taip pat yra labai svarbūs. Atmosferos savybės mums gali daug pasakyti apie šiuos procesus: pavyzdžiui, ar planetoje yra vandens ar kitokių skysčių apykaitos ciklai, ar vyksta ugnikalnių išsiveržimai, netgi ar yra magnetinis laukas. Iš kitos pusės, planetos sandarą ir popaviršinius procesus nagrinėti reikėtų skaitmeniniais modeliais bei laboratoriniais eksperimentais. Pastarieji padėtų išsiaiškinti, kaip skirtinga protoplanetinio disko sudėtis nulemia skirtingas planetų savybes, kokie mineralai susidaro skirtingos masės ir cheminės sudėties planetose, ir taip toliau. Tokie integruoti egzoplanetų tyrimai gali reikšmingai pakeisti mūsų supratimą apie gyvybingumą ir bendrai planetų įvairovę Galaktikoje. Turint omeny, kad pirmosios egzoplanetos aptiktos prieš mažiau nei 30 metų, toks progresas yra tikrai džiuginantis. Tyrėjai savo pasiūlymus skelbia laiške žurnale Science.

***

Žvaigždėdaros žybsnis Paukščių Take. Mūsų Galaktika formavosi įvairiais etapais – prieš 10-12 milijardų metų susiformavo centrinis telkinys ir dalis disko, vėliau buvo žvaigždėdaros pertrauka, prieš 8 milijardus metų formavimasis vėl paspartėjo ir ėmė formuotis pagrindinė disko dalis. Dabar nauji stebėjimai atskleidė, kad disko formavimasis buvo paspartėjęs prieš 2-3 milijardus metų. Tuo metu žvaigždėdaros sparta Paukščių Take apie dešimt kartų viršijo šiandieninę – toks epizodas vadinamas žvaigždėdaros žybsniu. Rezultatas gautas išnagrinėjus daugiau nei trijų milijonų žvaigždžių, priklausančių Galaktikos diskui, duomenis, surinktus kosminiu teleskopu Gaia. Šie duomenys leido nustatyti žvaigždžių amžius ir sudėlioti Paukščių Tako žvaigždėdaros spartos priklausomybę nuo laiko. Paaiškėjo, kad prieš dešimt milijardų metų buvusi sparčiausia žvaigždėdara vėliau tolygiai lėtėjo, išskyrus laikotarpį prieįš 1-5 milijardus metų, kai buvo išaugusi. Šio išaugimo maksimumas pasiektas prieš 2-3 milijardus metų ir greičiausiai žymi nykštukinės galaktikos įkritimą į Paukščių Taką. Toks smūgis galėjo supurtyti dujas visame Galaktikos diske ir paskatinti naujų žvaigždžių formavimąsi. Šis atradimas padeda geriau suprasti ir mūsų Galaktikos, ir kitų panašių galaktikų evoliuciją. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Lėta žvaigždėdara tolimuose spiečiuose. Galaktikų spiečiai, sudaryti iš šimtų ar net tūkstančių Paukščių Tako dydžio galaktikų ir daugybės mažesnių jų palydovių, yra didžiausios gravitaciškai susietos struktūros Visatoje. Galaktikų savybės spiečiuose ir už jų ribų dažnai skiriasi, nes judėdamos tankioje spiečiaus aplinkoje galaktikos gali prarasti (arba, priešingai, prisirinkti) dujų, išsikreipti, netgi subyrėti, spiečiuose dažnesni galaktikų susiliejimai ir kitokios sąveikos. Norėdami geriau suprasti, kaip vystosi spiečiai ir galaktikos juose, turime nagrinėti spiečius įvairiais Visatos gyvavimo laikotarpiais. Naujame tyrime pristatoma penkių tolimų spiečių analizė. Šių spiečių šviesa iki mūsų keliavo 9-10 milijardų metų, taigi matome juos tuo metu, kai Visatoje žvaigždės formavosi sparčiausiai. Net ir šiuose spiečiuose aptikta santykinai daug ramių, žvaigždžių nebeformuojančių, galaktikų – maždaug 50-80% daugiau, nei tarp galaktikų, kurios nėra spiečiuose. Panašūs procentai randami ir šiandieniniuose spiečiuose, taigi net ir prieš 10 milijardų metų spiečių poveikis galaktikų žvaigždėdarai buvo panašus, kaip dabar. Tyrimo rezultatai arXiv.

***

Pirmosios žvaigždės sprogdavo nesimetriškai. Pačios pirmosios žvaigždės Visatoje, susiformavusios praėjus maždaug 180 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, buvo sudarytos vien iš vandenilio ir helio. Jos greičiausiai buvo labai masyvios, gyveno trumpai ir po kelių milijonų metų sprogo supernovomis, praturtindamos aplinkinę erdvę pirmaisiais sunkesniais cheminiais elementais. Iš jų susiformavusios antrosios kartos žvaigždės kartais aptinkamos ir šiandien – jei jų masė mažesnė, nei Saulės, jos gali gyvuoti ir ilgiau, nei 10 milijardų metų. Viena tokia neseniai aptikta žvaigždė leidžia spręsti, kad pirmųjų žvaigždžių sprogimai buvo nesimetriški. Tai nustatyta, bandant paaiškinti aptiktosios žvaigždės HE 1327−2326 cheminę sudėtį. Sunkesnių už helį elementų žvaigždėje yra 150 tūkstančių kartų mažiau, nei Saulėje, tačiau cinko – tik 25 tūkstančius kartų mažiau. Kitaip tariant, cinko žvaigždėje yra šešis kartus daugiau, nei būtų galima tikėtis. Taigi žvaigždė formavosi iš tarpžvaigždinių dujų, kurios palyginus neproporcingai praturtintos cinku. Skaitmeniniai modeliai rodo, kad tokį netolygų praturtinimą gali sukelti nesimetriškai sprogstanti masyvi žvaigždė. Dvi čiurkšlės, pramušančios žvaigždės apvalkalą, iš jos gelmių išmeta sunkesnius cheminius elementus, tokius kaip cinkas, ir nuneša juos dviem kryptimis – tomis kryptimis aplinkinėje medžiagoje susidaro cinko perteklius. Šis atradimas taip pat leidžia spręsti, kad pirmosios žvaigždės galėjo praturtinti erdvės regionus, nutolusius gana toli nuo jų – čiurkšlės medžiagą perneša toliau, nei sferiški sprogimai. 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.

Nekoreguojami

K. Zubovas, "Konstanta 42". ﻿Kąsnelis Visatos CCCLXXXI: Technologijos

K. Zubovas, "Konstanta 42". Kąsnelis Visatos CCCLXXXI: Technologijos