Planetų formavimasis: nuo dulkių iki kvantinės teleportacijos

Bet praeitą savaitę paskelbtas darbas, kuriame pateikiamas gana įtikinamas atsakymas į šį klausimą. Kitose praėjusios savaitės naujienose – daugybė neįprastai skambančių dalykų, nuo visą Visatą apimančio skaitmeninio modelio iki teleportacijos panaudojimo astronominiams stebėjimams pagerinti. Yra ir lengviau suprantamų reiškinių – asteroidai ir nykštukinės planetos, žybsniai prie juodosios skylės ir ypatingai sena žvaigždė. Apie tai ir kitką, kaip visada, po kirpsniuku.

Pradėkime nuo paveiksliuko. Ši nuotrauka iš pirmo žvilgsnio gali priminti ūką, bet iš tiesų tai – debesys ir dūmai, palikti SpaceX Falcon 9 raketos skrydžio metu. Raketa pakilo iš Kalifornijoje esančios Vanderbergo oro pajėgų bazės spalio 7 dienos vakare. Raudoni dūmai dešinėje yra besisklaidančios pakilimo metu išmestos dujos. Pagrindinę nuotraukos dalį užima pirmosios pakopos atsiskyrimo ir manevravimo nusileidimui metu išmestos dujos, kurios yra pakankamai aukštai, kad jas dar apšviečia Saulė. Šviesos šaltinis kiek žemiau centro – antroji raketos pakopa, tolstanti nuo stebėtojo, o apverstos V formos bangos viršuje yra pirmosios pakopos manevrų, šiai grįžtant į nusileidimo aikštelę, pėdsakas.

Astronominiams stebėjimams labai svarbi teleskopo raiška – mažiausias išskiriamo objekto dydis. Kuo didesnis teleskopas, tuo geresnė jo raiška, bet didelius teleskopus statyti labai brangu. Viena naudinga alternatyva yra interferometrai – sistemos, apjungiančios keleto teleskopų gaunamą informaciją ir galinčios pasiekti tokią raišką, tarsi teleskopo dydis prilygtų atstumui tarp sujungtų teleskopų.

Šiuo metu didžiausi interferometriniai regimųjų spindulių teleskopų masyvai užima maždaug 300 metrų skersmens erdves, didesniu atstumu darosi sudėtinga perduoti duomenis. Stebint blausius objektus, svarbus kiekvienas fotonas, taigi duomenų perdavimo klaidos labai kenkia stebėjimų kokybei. Dabar pasiūlytas metodas, kaip būtų galima išspręsti šią problemą: gaunamų fotonų informaciją į apdorojimo centrą tiesiog teleportuoti. Čia kalbame apie kvantinę teleportaciją – informacijos apie kvantinę sistemą perdavimą ir analogiškos sistemos atkūrimą kitur, neperkeliant pirmosios sistemos. Teleportacija yra ne kartą išbandyta net dešimčių kilometrų atstumu, taigi teoriškai būtų galima apjungti teleskopus, esančius tokiu atstumu, į vieną sistemą. Pagrindinė problema – informacijos kiekis: fotonų į teleskopą per sekundę gali patekti trilijonai.

Kiekvieną iš jų teleportuoti kol kas neturime galimybių. Bet galima fotonus grupuoti, visod grupės informaciją užkoduoti, pavyzdžiui, atomo kvantinėmis savybėmis, ir teleportuoti šią informaciją. Taip teleportacijos įvykių poreikis gali sumažėti dešimtis tūkstančių kartų. Teleportaciją išnaudojantys teleskopai leistų gauti žymiai ryškesnius blausių mažų objektų atvaizdus. Tyrimo rezultatai arXiv.

Tarp didžiųjų planetų skrajojantys asteroidai vadinami kentaurais. Kartais aplinkinių kūnų, daugiausiai planetų, gravitacija pakeičia jų orbitas ir nusviedžia juos Saulės link, kur sukasi keturios žemiškosios planetos – Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas. Priartėję prie Saulės kentaurai gali tapti kometomis, o kartais jie atsitrenkia į vieną iš uolinių planetų ir gali sukelti katastrofą. Dabar skaitmeniškai sumodeliuota kentaurų orbitų evoliucija per pastaruosius 3,8 milijardo metų. Toks laikas pasirinktas, nes prieš tiek metų baigėsi Vėlyvasis stiprusis bombardavimas – daugybės asteroidų ir kometų kritimas į Saulės sistemos centrą. Gauti rezultatai parodė, kad į centrinę Saulės sistemos dalį atlekia maždaug pusė kentaurų.

Apie 7% kentaurų artimai sąveikauja su uolinėmis planetomis – galbūt susiduria, galbūt pralekia labai arti. Į Žemę didesnio nei 1 km skersmens kentauras pataiko maždaug kas 14 milijonų metų, o per visą 3,8 milijardo metų laikotarpį į Žemę galėjo nukristi du 12 km skersmens kentaurai. Maždaug tokio dydžio asteroido smūgis sukėlė masinį išnykimą prieš 65 milijonus metų. Kentaurų smūgiai nėra tokie dažni, kaip asteroidų, esančių tarp Marso ir Jupiterio, tačiau jie – pavojingesni, mat atlekiantys kentaurai Žemės atžvilgiu juda didesniu greičiu. Be to, vidutinis kentauras yra masyvesnis už tipinį pagrindinio žiedo asteroidą. Šio modelio rezultatai leidžia spręsti, kad kentaurai galėjo sukelti bent du masinius rūšių išnykimus Žemės istorijoje. Tyrimo rezultatai arXiv.

Cerera, nykštukinė planeta Asteroidų žiede, kadaise sukosi aplink ašį, su dabartine sudarančią 36 laipsnių kampą. Toks atradimas padarytas išnagrinėjus Cereros gravitacinio lauko, topografinę ir tektoninę informaciją, nuo 2015 metų surinktą zondo Dawn. Duomenys atskleidė, kad Cerera turi ne tik tankesnės medžiagos žiedą aplink pusiaują, bet ir senovėje egzistavusio kito panašaus pusiaujinio žiedo liekanas. Pastarasis žiedas sutampa su senuoju planetos pusiauju, pakrypusiu 36 laipsnių kampu į dabartinį.

Tektoninė informacija – įvairūs lūžiai plutoje – taip pat rodo, kad Cerera patyrė ašigalio poslinkį, ir kad tas poslinkis nebuvo tolygus. Ašigalis iš senosios į dabartinę padėtį perėjo ne tiesiai, bet kreivai, galbūt per keletą kartų. Tai gali reikšti, jos Cereros pluta ir mantija judėjo šiek tiek atskirai viena nuo kitos, galimai dėl tarp jų egzistuojančio popaviršinio vandenyno. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

Jupiterio palydovas Europa laikomas viena tikėtiniausių vietų aptikti nežemišką gyvybę Saulės sistemoje. Poledinis vandenynas turi mineralų ir energijos, jo dugne greičiausiai egzistuoja hidroterminės versmės, panašios į tas, prie kurių galimai susiformavo pirmoji gyvybė Žemės vandenynų dugne. Taigi kosmoso agentūros – ir NASA, ir ESA – planuoja misijas į šį ledinį palydovą. Bet nusileisti ten gali būti sudėtinga: nauji skaičiavimai rodo, kad Europos paviršiuje gali styroti daugybė iki 15 metrų aukščio siaurų ledinių smaigų.

Tokie smaigai susidaro, kai žemos temperatūros sausoje aplinkoje Saulės šviesa garina ledą, o pats ledas yra nepakankamai paslankus, kad užpildytų atsirandančius tarpus. Struktūros, vadinamos penitentais, randamos Žemėje aukštai kalnuose netoli pusiaujo, New Horizons juos užfiksavo Plutone. Europos nuotraukos neturi pakankamos raiškos, kad galėtume aptikti penitentus, bet sąlygos jiems formuotis egzistuoja.

Tikėtinas aukštis – iki 15 metrų – priklauso nuo ledinio Europos paviršiaus judėjimo greičio. Tiesa, aukščiausi smaigai turėtų būti ties pusiauju, o artėjant prie ašigalių jie turėtų mažėti. Tad gali būti, kad nusileisti Europoje pavyks tik prie ašigalių, o pusiaujo tyrimai turės palaukti gerokai tobulesnių autonominių nusileidimo sistemų arba žmonių pilotuojamų erdvėlaivių skrydžių. Tyrimo rezultatai publikuojami Nature Geoscience.

Planetos formuojasi dujų ir dulkių diskuose aplink žvaigždes. Dulkės juose po truputį limpa tarpusavyje, kol galiausiai suformuoja uolienas, o šios toliau grupuojasi veikiamos vis stiprėjančios savo pačių gravitacijos. Tačiau gravitacija tampa reikšminga tik dešimčių ar net šimtų kilometrų skersmens planetų pirmuonims, o dulkės tarpusavyje gerai kimba tik kol yra mažesnės už milimetrą. Didesnės dulkės, susidūrusios tipiniais greičiais, kuriais jos juda protoplanetiniame diske, ne susijungia, o subyra.

Dabar pasiūlytas šios problemos, vadinamos „metrine riba“, sprendimas. Jis remiasi dujų sąveika su pavienėmis dulkių dalelėmis. Dujos, judėdamos dulkių atžvilgiu, formuoja sūkurius, panašiai kaip vandens srovė, tekanti pro akmenį. Sūkuriai, sukelti daugelio dulkių dalelių, sąveikauja tarpusavyje ir formuoja bangas, kurios padeda dulkėms susitelkti į juostas bei gumulus. Juose dulkės juda labai mažais tarpusavio greičiais ir gali sėkmingai jungtis bei augti. Anksčiau modeliuose dulkės nagrinėtos suvidurkintai, nekreipiant dėmesio į pavienes daleles, todėl šis efektas nepastebėtas. O jis yra stiprus ir reikšmingas: idealiu atveju augančio dulkių telkinio masė per vieną orbitos diske apsukimą gali padidėti trigubai.

Šis procesas vyksta ne tik protoplanetiniuose diskuose – jį galima pritaikyti ir kitoms sistemoms, nuo žvaigždžių vėjų iki dulkių sklidimo atmosferoje po ugnikalnio išsiveržimo. Tyrimo rezultatai arXiv.

Visatos pradžioje, netrukus po didžiojo sprogimo, atsirado pirmieji cheminiai elementai – vandenilis, helis ir truputis ličio. Visi kiti elementai susiformavo tik vėliau, žvaigždžių gelmėse termobranduolinių reakcijų metu. Taigi pirmosios žvaigždės turėjo labai mažai už helį sunkesnių elementų, astronomijoje bendrai vadinamų metalais. Mažo metalingumo žvaigždžių tyrimai padeda geriau suprasti, kaip atrodė pirmosios žvaigždės Visatoje, kaip jos nušvietė iki tol tamsią Visatos erdvę ir jonizavo vandenilį didžiojoje Visatos tūrio dalyje.

Dabar aptikta bene mažiausiai metalinga žvaigždė mūsų Galaktikoje. Geležies kiekis šioje žvaigždėje beveik 50 tūkstančių kartų mažesnis, nei Saulėje. Taip pat joje yra ypatingai mažai anglies – apie 5000 kartų mažiau, nei Saulėje. Įprastai labai senose žvaigždėse anglies ir geležies gausos santykis šimtus kartu viršija šį santykį Saulėje, nes anglis Visatoje atsirado anksčiau už geležį, tad ir žvaigždėse jos randame senesniais laikais.

Kitų vadinamųjų alfa-elementų, susiformuojančių termobranduolinių reakcijų metu helio branduoliams jungiantis prie geležies, gausa šioje žvaigždėje yra panašiai menka, kaip ir anglies. Anglies bei alfa-elementų ir geležies gausos santykis skiria naujai atrastą žvaigždę nuo kitų panašaus metalingumo žvaigždžių – jose anglies santykinai yra gerokai daugiau. Gali būti, kad toks skirtumas byloja apie skirtingus pirmųjų žvaigždžių Galaktikoje formavimosi kelius – vienos iš jų formavosi iš anglimi praturtintų dujų, kitos – iš gerokai labiau pirmykščių. Tyrimo rezultatai arXiv.

Prieš keletą metų aptikta keistai blausi supernova kodiniu numeriu iPTF 14gqr greičiausiai žymėjo dvinarės neutroninės žvaigždės gimimą. Tokia išvada gauta, išnagrinėjus sprogimo detales ir sumodeliavus jį skaitmeniškai. Sprogimo metu į aplinką išmesta labai nedaug medžiagos, vos penktadalis Saulės masės, nors įprastai panašios supermovos išmeta bent keletą, jei ne keliolika, Saulės masių.

Labiausiai tikėtinas paaiškinimas – žvaigždė dar prieš sprogimą neteko labai didelės dalies išorinių sluoksnių medžiagos. Medžiagą nuo žvaigždės galejo nutraukti šalia esanti neutroninė žvaigždė. Sprogimo detalės leidžia spręsti, kad sprogusi žvaigždė po savęs irgi greičiausiai paliko neutroninę žvaigždę, o ne juodąją skylę. Abi žvaigždės yra arti viena kitos – ateityje jos susijungs ir sukels gama spindulių žybsnį bei paskleis gravitacines bangas. Tyrimo rezultatai publikuojami Science.

Pulsarai yra labai sparčiai besisukančios ir labai stiprų magnetinį lauką turinčios neutroninės žvaigždės. Didelė dalis jų spinduliuotės sklinda išilgai magnetinio lauko ašiai, kuri sukasi kartu su visa žvaigžde aplink sukimosi ašį, taigi stebint iš šalies atrodo, kad objektas reguliariai sušvinta ir išblėsta – iš čia ir pavadinimas.

Pulsarai taip pat išmeta ir elektringas daleles – elektronus ir pozitronus, kurie, sąveikaudami su žvaigždės magnetiniu lauku, gali skleisti gama spindulius. Dabar pristatytas detaliausias pulsaro gama spinduliuotės atsiradimo skaitmeninis modelis. Modelyje sekamas pulsaro magnetinis ir elektrinis laukas, jo poveikis elektronams ir pozitronams, išmetamiems nuo pulsaro paviršiaus, ir dalelių poveikis laukui. Skaičiavimai parodė, kad elektronai daugiausiai įgreitinami ties magnetiniais ašigaliais, o pozitronai – arti pusiaujo. Vos keli šimtai metrų virš žvaigždės paviršiaus dalelės įgyja tiek energijos, kad gali skleisti gama spindulius. Kai kurios dalelės yra sklaidomos įvairiomis kryptimis – dalis jų nukrenta atgal į pulsarą, dalis išlekia lauk – taip užpildydamos visą magnetosferą.

Šie rezultatai paaiškina nemažą dalį pulsarų stebėjimų duomenų, o ateities stebėjimais juos bus galima vis geriau patikrinti. Tai padės ir išsiaiškinti kaip veikia pulsarai, ir bendrai geriau suprasti elektringų dalelių ir stiprių magnetinių bei elektrinių laukų sąveiką. Tyrimo rezultatai arXiv.

Paukščių Tako centre esanti supermasyvi juodoji skylė Šaulio A* šiuo metu yra labai blyški – aplink ją esančios dujos iš viso spinduliuoja tik 300 kartų daugiau energijos, nei mūsų Saulė. Tačiau kasdien, o dažnai ir keletą kartų per dieną, jos šviesis trumpam išauga dešimt-šimtą kartų. Tokie žybsniai matomi rentgeno, infraraudonajame, submilimetriniame ir radijo bangų diapazone. Tiesa, ne visi žybsniai matomi visuose ruožuose, be to, skirtinguose ruožuose skiriasi jų savybės, pavyzdžiui augimo ir mažėjimo laiko tarpai.

Iki šiol žybsniai buvo stebimi tik protarpiais ir tik pavieniais instrumentais, o tai neleido gerai ištirti jų savybių. Dabar pristatytas pirmas Šaulio A* stebėjimų duomenų rinkinys, vienu metu surinktas keturiais teleskopais: kosminiais Spitzer (infraraudonųjų spindulių) ir Chandra (rentgeno) bei antžeminiais Keck (infraraudonųjų) ir ALMA (submilimetrinių). Per stebėjimų laiką – maždaug parą – aptikti du žybsniai, ir abu neatitinkantys dabartinių teorinių modelių. Vieno žybsnio metu infraraudonųjų ir submilimetrinių spindulių šviesis kito vienu metu – anksčiau buvo manoma, kad šiuose ruožuose žybsniai arba apskritai nekoreliuoja, arba submilimetriniai žybsniai įvyksta bent pusvalandžiu anksčiau, nei infraraudonųjų ir rentgeno spindulių pašviesėjimai.

Kito žybsnio metu per vieną valandą Šaulio A* sušvito visuose trijuose stebėtuose ruožuose – nuo mažiausios iki didžiausios energijos spindulių. Gali būti, kad šie du žybsniai tiesiog atsitiktinai pasitaikė kitokie, nei prognozuoja įprasti modeliai. Bet gali būti, kad lygiagretus stebėjimai įvairiuose ruožuose atskleidė naujų žinių apie Šaulio A* aplinkoje vykstančius procesus. Šiuo metu planuojami ilgesni lygiagretūs stebėjimai, kurie padės geriau suprasti supermasyvių juodųjų skylių akrecijos savybes. Tyrimo rezultatai arXiv.

Įprastinis kosmologijos modelis teigia, kad didžioji dalis Visatos medžiagos yra nematoma. Tamsioji materija telkiasi į halus, kuriuose formuojasi galaktikos, tačiau tamsūs halai yra pasklidę plačiau už regimąją materiją, todėl galaktikų centrinėse dalyse dominuoja įprasta medžiaga. Tai atsiliepia ir dujų bei žvaigždžių judėjimui galaktikose – arti centro judėjimą galima paaiškinti vien regimosios materijos kuriamu gravitaciniu lauku, bet pakraščiuose tos gravitacijos nebeužtenka.

Alternatyvi teorija, vadinama modifikuota niutonine dinamika (sutrumpintai MOND), teigia, kad tamsiosios materijos nėra, o dujų ir žvaigždžių sukimąsi galima paaiškinti kintančia objektų inercija ten, kur judėjimo pagreičiai yra labai maži. Mažas pagreitis yra svarbus šios teorijos elementas, kartu paaiškinantis, kodėl nukrypimų nuo mums įprastų judėjimo dėsnių nestebime Žemėje – čia viskas juda pakankamai dideliu pagreičiu, kad inercijos pokyčiai taptų nereikšmingi.

Dabar atrasta galaktika, kurios žvaigždės net ir arti centro, didelio pagreičio zonoje, juda per greitai, kad jas išlaikytų vien regimos materijos kuriama gravitacija. Standartinis kosmologinis modelis tokį rezultatą paaiškina paprastai – šioje galaktikoje net ir centre dominuoja tamsiosios, o ne regimosios materijos gravitacija. Skaičiavimai rodo, kad tamsioji materija sudaro apie 87 proc. centrinio galaktikos regiono masės.

Tamsiosios materijos ten daug prisikaupė greičiausiai todėl, kad galaktika neseniai susiliejo su kita; susiliejimai sujaukia galaktikas ir gali sustumti medžiagą į centrą. Tuo tarpu MOND jokio paaiškinimo nepateikia. Nors šis atradimas nėra vienareikšmis įrodymas, kad tamsioji materija egzistuoja, jis yra dar viena dėlionės dalis, rodanti, kad standartinis paaiškinimas greičiausiai yra teisingiausias iš šiandien egzistuojančių alternatyvų. Tyrimo rezultatai arXiv.

Egzistuoja tokia hipotezė, jog mes gyvename ne tikroje Visatoje, o skaitmeniniame modelyje. Bet jei toks modelis ir egzistuotų – nesvarbu, ar tai būtų mūsų Visata, ar kažkas sukurta mūsų Visatoje – kokia būtų jo galimybių riba? Ar įmanoma sumodeliuoti mūsų Visatą kompiuteryje, kuris tilptų į mūsų Visatą? Pasirodo, atsakymas, bent jau teoriškai, yra teigiamas.