Kosminė archeologija: kaip atskleidžiamos žvaigždžių paslaptys?

Dar palyginus neseniai – iki XIX amžiaus – „nejudančios žvaigždės“ (angl. fixed stars, lot. stellae fixae) buvo bendras visų žvaigždžių, išskyrus Saulės, pavadinimas. Taip jas praminė dar senovės graikai, tuo atskirdami jas nuo „klajojančių žvaigždžių“ – planetų, Saulės ir Mėnulio.

Vėliau paaiškėjo, kad žvaigždės visgi nėra pritvirtintos prie mistinio dangaus skliauto, o juda – kai kurios atrodo svyruojančios pirmyn-atgal bėgant metams, kai kurių net ir tikrą, nesvyruojantį, judėjimą per teleskopus galima pamatyti.

Visgi mes matome labai statišką Visatos vaizdą. Taip, pavienių žvaigždžių judėjimą kartais matyti galime, ypač jei tos žvaigždės yra arti mūsų (svyravimas, vadinamas paralaksu, matomas dėl Žemės sukimosi aplink Saulę), galime stebėti ir egzoplanetų sukimąsi aplink savo žvaigždes, yra dar keletas procesų, kurie vyksta pakankamai greitai, kad galėtume matyti, kaip jie keičiasi (pavyzdžiui, Hablas per 14 metų pamatė, kaip keičiasi protožvaigždės čiurkšlė).

Visgi dauguma objektų ir darinių lieka fiksuoti nepriklausomai nuo mūsų teleskopų sugebėjimų. O mes norėtume išsiaiškinti, kaip tie objektai evoliucionuoja: kaip vystosi galaktikos per milijardus metų, kaip formuojasi jų žvaigždžių populiacijos, kaip juda dujos, kokį poveikį viskam turi supermasyvios juodosios skylės, kaip vyksta galaktikų susiliejimai... Daugybė procesų, kurie vyksta milijonus, šimtus milijonų, milijardus metų – tiek laiko juos stebėti neturime galimybės. Tad kaip galime kažką apie juos sužinoti? Šiuo atveju naudinga metodika, vadinama kosmine archeologija arba žvaigždžių archeologija.

Archeologija ji yra todėl, kad šiais metodais bandome išsiaiškinti apie objekto ar jo aplinkos praeitį, remdamiesi tuo, ką galime matyti dabar. Niekas į žvaigždes neskrenda ir jų nekasinėja, bet ir dideliu atstumu žiūrėdami galime šį tą suprasti. Štai keletas pavyzdžių, kaip žvaigždės (ir ne tik) papasakoja apie Visatos praeitį.

Kai žvaigždė, kurios masė nesiekia 8 Saulės masių, baigia savo gyvenimą, ji nusimeta išorinius sluoksnius ir virsta baltąja nykštuke. Nykštukė dažniausiai susideda iš deguonies ir anglies, termobranduolinės reakcijos joje nevyksta, žvaigždė tik po truputį vėsta, spinduliuodama savo šiluminę energiją.

Kuo senesnė baltoji nykštukė, tuo ji vėsesnė. Taigi išmatavę jos temperatūrą, iš principo galime nustatyti ir amžių. Deja, kuo baltoji nykštukė vėsesnė, tuo sunkiau tą temperatūrą tiksliai nustatyti – ir dėl bendro blėsimo, ir dėl spektrinių linijų sumenkimo. Visgi ką galima padaryti, tai aptikti karščiausias baltąsias nykštukes konkrečioje populiacijoje ir išmatuoti jų masę (vėlgi, iš spektro ar iš bendro šviesio). Tada žinome, kokios masės žvaigždės šiuo metu virsta nykštukėmis – susieti jų masę su baltųjų nykštukių mase reikia žvaigždžių evoliucijos modelių, bet tą padaryti įmanoma. Žinodami, kokios masės žvaigždės dabar baigia savo gyvenimus, sužinome ir tai, kada jos susiformavo, mat žvaigždės gyvenimo trukmė priklauso nuo jos masės.

Prieš keletą metų toks metodas išbandytas kamuoliniame spiečiuje M4. Nustatyta, kad jauniausios baltosios nykštukės jame yra 0,529 Saulės masės; remiantis tuo suskaičiuota, kad spiečius žvaigždes suformavo prieš 12,5 milijardo metų. Šis skaičius puikiai atitinka kitais būdais nustatytą, o taip patikrinus modelį, galima jį pritaikyti ir kitur. Tame pačiame darbe modelis buvo pritaikytas Paukščių Tako žvaigždinio halo (žvaigždžių, sklandančių aplink galaktiką daugmaž rutulio formos erdvėje) amžiui nustatyti: ten esančios karščiausios baltosios nykštukės yra šiek tiek masyvesnės, taigi jos gimė iš masyvesnių žvaigždžių, kurios gyveno trumpiau: halo žvaigždės yra truputį jaunesnės, nei kamuolinio spiečiaus M4; jų amžius – 11,4 milijardo metų. Detaliau apie šį tyrimą paskaityti galite „Nature“ straipsnyje.

Tik susiformavusioje Visatoje buvo vos keturi cheminiai elementai – vandenilis, helis ir labai menki kiekiai ličio bei berilio. Iki gimstant pirmosioms žvaigždėms, daugiau tų elementų ir nesusiformavo, taigi pirmąsias žvaigždes taip pat sudarė tik vandenilis ir helis (litis ir berilis jose suiro). Tik vėliau, sprogstant pirmosioms supernovoms, į tarpžvaigždinę aplinką buvo išmesti sunkesni elementai, kurių reikėjo ir daugumos planetų formavimuisi.

Pirmosios žvaigždės, vadinamos III (trečiąja) populiacija, greičiausiai buvo vidutiniškai masyvesnės už šiandienines, bet ir tarp jų buvo mažos masės žvaigždžių. O mažos masės žvaigždės gyvena ilgai – kai kurios net ir iki šių dienų. Taigi radę žvaigždžių su labai žemu metalingumu („metalais“ astronomijoje vadinami visi sunkesni už helį cheminiai elementai), galime šį tą pasakyti ir apie jų formavimosi aplinkybes bei apie struktūras, kuriose jos susiformavo.

Pavyzdžiui, nors III populiacijos žvaigždės turi labai mažai metalų, jų vis tiek kažkiek yra; per milijardus metų net ir mažiausios masės žvaigždės jų prisigamino, taigi galima šį tą įžvelgti ir spektruose. Iš to galime geriau suprasti, kaip vyksta termobranduolinės sintezės reakcijos žvaigždėse. Žinodami, kur esama tokių senų žvaigždžių, galime pasakyti, kada susiformavo tie struktūriniai galaktikų komponentai: pavyzdžiui, Paukščių Tako žvaigždiniame hale yra labai senų žvaigždžių, tai reiškia, kad pats halas yra labai senas darinys. Galaktikos diske žvaigždžių amžius koreliuoja su vertikaliu pasklidimu: jaunos žvaigždės išsidėsčiusios arčiau disko plokštumos, senos pasklidusios plačiau. Šitai galima paaiškinti tuo, kad žvaigždės gimsta arti disko plokštumos, bet laikui bėgant išsibarsto toliau nuo jos; žvaigždžių amžių informacija leidžia nustatyti, kaip sparčiai vyksta tas išsibarstymas.

Mažo metalingumo žvaigždės padeda išsiaiškinti ir Galaktikos halo formavimosi istoriją. Susiformuoti pačiame hale jos negalėjo – ten niekada nebuvo pakankamai tankių dujų. Greičiausiai, jos yra subyrėjusių nykštukinių galaktikų palikimas. Šią hipotezę – kad žvaigždiniai halai formuojasi didelėms galaktikoms ryjant mažas – patikrinti galima išsiaiškinus nykštukinių galaktikų žvaigždžių savybes. Kadangi nykštukinėse galaktikose žvaigždės tikrai yra tokio mažo metalingumo, kaip ir haluose, vadinasi, halų žvaigždės tikrai galėjo užgimti nykštukinėse galaktikose, iš kurių vėliau išsibarstė. Apskritai mažo metalingumo žvaigždžių tyrimai yra pagrindinė kosminės archeologijos dalis. Plačiau apie juos galite paskaityti šiame apžvalginiame straipsnyje.

Visai neseniai paskelbta apie grupę labai mažo metalingumo žvaigždžių, aptiktų Paukščių Tako centriniame telkinyje, palyginus netoli Galaktikos centro. Šios žvaigždės greičiausiai susiformavo pačioje Galaktikos augimo pradžioje, kai tik centriniame telkinyje dujų tankis buvo pakankamas žvaigždėms formuotis.

Kai kurie procesai, vykstantys Visatoje, palieka ilgaamžius pėdsakus savo apylinkėse. Viena pėdsakų rūšis yra šviesos aidai, kuriuos galima pamatyti, pavyzdžiui, dujų debesyse netoli kadaise sprogusios supernovos ar kadaise suaktyvėjusio galaktikos branduolio. Taip įmanoma netiesiogiai pažvelgti net ir į keleto šimtmečių praeitį, bet tikrai ne į milijonų metų senumo įvykius. Be to, įvykiai turi būti susiję su žymiu šviesos pliūpsniu, kuris gali aidą sukelti.

Kita pėdsakų rūšis – dinaminiai. Tai yra įvairus dujų „sujaukimas“, išliekantis daugybę metų – kartais ir milijonus ar dar ilgiau. Jų kilmė gali būti irgi supernovų sprogimai, galaktikos branduolio aktyvumas, žvaigždžių vėjai, galaktikų susiliejimai. Labai įvairūs procesai, visi pakankamai energingi, kad sujudintų aplinkines, o gal net visos galaktikos, dujas ir pakeistų jų savybes: išsidėstymą, temperatūrą, judėjimo greičius. Jei pavyksta išsiaiškinti, kaip tokie pokyčiai sukeliami, galima stebėjimus susieti su konkrečiais sukelėjais. Pavyzdžiui, galaktikų susiliejimai palieka dujų ir žvaigždžių juostas ar kevalus galaktikų pakraščiuose, supernovos ir žvaigždžių vėjai gali išpūsti dujas iš galaktikų, aktyvūs branduoliai po savęs palieka didžiulius burbulus ir čiurkšles. Šių reiškinių tyrimai neduoda tokių tikslių rezultatų, kaip senų žvaigždžių ar baltųjų nykštukių, bet juos stebėti galime ir gana tolimose galaktikose, taigi savų panaudojimų turi ir jie.

Egzistuoja tyrimų sritis, kurios pavadinimas panašus į kosminę archeologiją. Tai – archeoastronomija. Bet tai yra visiškai kitas reikalas, labiau susijęs su archeologija ir istorija, o ne astronomija.

Archeoastronomija – tai senovės civilizacijų astronominių žinių, pasiekimų ir artefaktų tyrimas. Archeoastronomija – tai Stounhendžas ir panašūs statiniai, Dangaus stebykla ir Etnokosmologijos muziejus Kulionyse prie Molėtų ir taip toliau. Įdomus reikalas, bet svarbu jo nesupainioti su kosmine archeologija.