Ankstyvoji Visata ir ekzoplanetos. Vartiklis: fizika

Pagerbti ankstyvosios Visatos tyrėjai ir ekzoplanetų atradėjai
2019 m. Nobelio fizikos premija

Kai James Peebles¹⁾ karjerą Prinstono un-te pradėjo 7-o dešimtm. pradžioje, buvo mažai įrodymų apie Didįjį sprogimą, kurią 1922 m. pasiūlė A. Fridmanas, o 1927 m. nepriklausomai panašią idėją iškėlė ir belgas Ž. Lemetrė, siekęs tuo paaiškinti galaktikų išsibėgiojimą. 7-o dešimtm. pradžioje R. Dikė, kurio grupėje buvo ir Dž. Piblas, 1962 m. R. Dikei vadovaujant apsigynęs daktarinę disertaciją, pasiūlė savąją Didžiojo sprogimo versiją. O tada A. Penzias ir R. Wilson’as atrado kosminio fono mikrobanginį spinduliavimą (CMBR). Dž. Piblas su R. Dicke ir kitais kolegomis pateikė paaiškinimą, ką reiškia CMBR ir kaip jis susijęs su Didžiuoju sprogimu („Kosminis juodųjų kūnų spinduliavimas“, Astrophysical J. Letters, May 1965). Tiesa, patys CMBR atradėjai nebuvo įsitikinę to aiškinimo tikrumu ir savo straipsnį pavadino atsargiau: „Temperatūros matavimas antena 4080 MHz dažniu“. Tiesa, A. Penzias ir R. Wilson’as pasiūlė R. Dikei tapti straipsnio bendraautoriu, tačiau tasai kilniai atsisakė, nes, atseit, atradimas išimtinis jų nuopelnas – ir taip, galbūt, atsisakydamas ir Nobelio premijos.

Bet iš tikro proveržis įvyko, kai Dž. Piblas suprato, kad reliktinis spinduliavimas gali suteikti informacijos apie tai, kiek ir kokios materijos buvo sukurta Didžiojo sprogimo metu. O šviesos išlaisvinimas vėliau nulėmė, kaip vėliau materija galėjo „sutankėti“, suformuodama dangaus objektus. Pirmąjį straipsnį apie tai Dž. Piblas paskelbė 1965 m. vėliau jis vienas pirmųjų aprašė ir reliktinio spinduliavimo susidarymo mechanizmą (nepriklausomai tai padarė ir tarybiniai fizikai J. Zeldovičius, V. Kurtas ir R. Siuniajevas) ir susiejo tai su helio kiekiu Visatoje. Mat helio susidarymas iš deuterio 2019 m. fizikos nobelistai

reikalauja aukštos temperatūros ir tankio. Kuo tankesnė Visata, tuo daugiau joje helio. Kai temperatūra nukrenta iki tam tikro lygio, liaujasi nukleosintezė. Beje, sunkesni elementai iš viso nesusidaro (juos „gamina“ supernovos).

Dž. Piblas iš CMBR traukė informaciją apie Visatos pradžią, spėdamas, kad pradžioje Visatos temperatūra siekė per 10 mlrd. laipsnių. Tokiame karštyje spontaniškai materializavosi elektronų ir neutrinų poros, po kurių sekė protonų ir neutronų sintezė, kuriems susijungus susidarydavo atomų branduoliai (skaitykite, kaip atsirado pirmasis spinduliavimas). 1966 m. Dž. Piblas atliko detalius skaičiavimus apie skirtingų izotopų pasiskirstymą to proceso (vadinamo nukleosinteze) metu.

Tačiau jo iš CMBR gauti skaičiai skyrėsi nuo to, ką stebi šių dienų astronomai. Tas neatitikimas reiškė, kad kažkas svarbaus buvo praleista. Vėliau nuspręsta, kad pradiniai protonai ir neutronai virto kitu materijos tipu, vadinamu tamsiąja materija.

8-me dešimtm. Dž. Piblas užsiėmė kosminės struktūros susiformavimo klausimais. Vienu pirmųjų, supratusių, kad pirminiai kvantiniai tankio sužadinimai ankstyvojoje Visatoje pradės plisti joje kaip garso bangos, buvo A. Sacharovas – ir jas dažnai taip ir vadina: „Sacharovo osciliacijos“. Kai tankis nukrito, tos bangos „sustingo“ tankio nevienalytiškumo pavidalu, nevienalyčiu palikusios ir reliktinį spinduliavimą. Išmatavus reliktinio spinduliavimo intensyvumą ir išreiškus Furjė eilute, gausime kampinį spektrą, galintį daug papasakoti apie Visatos savybes. Ir pirmasis kampinį spektrą paskaičiavo būtent A. Sacharovas, tačiau tuo metu dar nebuvo atrastas reliktinis spinduliavimas (jis savo straipsnį paskelbė irgi 1965 m.), tad jį paskaičiavo šaltai Visatai su pradine temperatūra lygia 0. Tuo tarpu Dž. Piblas gavo spektrus su įvairiais kosmologiniais parametrais jau karštai Visatai. Vienas jų nepaprastai panašus į po 4-ių dešimtmečių išmatuoto „Planck“ observatorijos. Nepriklausomai tokį darbą atliko ir J. Zeldovičius ir R. Siunajevas (beje, savo straipsnį paskelbę 8 mėn. anksčiau už Dž. Piblą).

Kampinis spektras pasirodė esąs periodiniu, sudarytu iš keleto pikų. Periodas proporcingas Visatos amžiui, kas būtent ir leidžia įvertinti jos amžių. Pikų išsidėstymas ir dydis leidžia nustatyti medžiagos, sukuriančios gravitaciją, tankį, o taip pat tamsiosios materijos ir energijos tankį. Iš spektro galime sužinoti apie pirminių tankio sužadinimų prigimtį, pagal ką galima priimti ar atmesti kosmologinius modelius. Beje, paskutiniai matavimai kalba infliacinės teorijos naudai.

Apibendrinant, Dž. Piblas nemažai prisidėjo vystydamas infliacijos teoriją bei padėdamas suprasti tamsiąją materiją. Dar 4-me dešimtm. K. Lundmarko ir F. Cvikio galaktikų sukimosi tyrimai (o 7-me dešimtm. – Veros Rubin) parodė, kad matomos materijos nepakanka gravitacijai, išlaikančiai žvaigždes stebimose orbitose. Ilgą laiką laikyta, kad tamsiąją materiją sudaro neutrinai, tačiau vargu ar milžiniškas šių superlengvų dalelių, skrodžiančių Visatą beveik šviesos greičiu, galėjo užtikrinti medžiagos išlaikymą galaktikose. Ir tada 1982 m. Dž. Piblas pasiūlė, kad tamsiąją materiją sudaro kol kas dar nežinomos sunkios ir lėtos šaltos tamsiosios materijos dalelės – ir nuo tada tebeieškoma jų.

Ir kai 9-me dešimtm. tapo įmanoma tiksliau įvertinti tamsiosios materijos masę, paaiškėjo, materijos masė sudaro tik 31% kritinės masės, būtinos, kad Visata būtų plokščia (žr. apie Visatos geometrijas). Ir vėl sprendimą pasiūlė Dž. Piblas – 1984 m. jis pasiūlė, kad visata užpildyta kažkokia energija (vėliau pavadinta „tamsiąja“), suteikiančią trūkstamą gravitacijos dalį. Jos aprašymui jis sugražino užmirštą Einšteino kosmologinę konstantą L (lambda), daugiau nei pusamžį laikytą pertekline. Taip jis tapo vienu šiuolaikinio kosmologinio modelio (LCDM) kūrėjų.

Kita 2019 m. Nobelio premijos dalis atiteko tyrinėtojams, patikslinusių sampratą apie mūsų planetos vietą kosmose.

1995 m. astronomai jau buvo daug metų ieškoję ekzoplanetų ir perspektyvos neatrodė labai šviesiomis. Jei aplink žvaigždę sukasi planeta, tai jų bendras masės centras yra labai arti žvaigždės, tad žvaigdždė nukrypsta labai nežymiai. Kitas metodas, tai spektro poslinkiai planetai judant link Žemės ir tolstant nuo jos (pirmasis apie galimybę aptikti ekzoplanetas Doplerio efekto pagalba išsakė O. Struvė). Tačiau tuo metu dar niekas nežinojo ar įmanoma išmatuoti tokius nežymius pokyčius.

Vienu būdu buvo vienu metu pažvelgti į daug žvaigždžių. Tam tikslui Michel Mayor ir Didier Queloz sukūrė naują spektografo tipą, prietaiso, skirto tiksliai išmatuoti iš žvaigždės ateinančią šviesą. Šis „Elodie“ vadinamas spektografas leido vienu metu matuoti 142 žvaigždžių šviesą. Jo pagalba jie 1994 m. rudenį aptiko periodinį Pegaso 51 žvaigždės, esančios Saulės tipo už 50 švm., šviesos kitimą. Pokyčių periodas tebuvo vos 4 d., gerokai trumpesnis nei buvo tikėtasi. Tačiau trumpas periodas leido stebėti daugelį ciklų bei kitiems astronomams (tarp jų buvo ir P. Butleris) patvirtinti atradimą.

Su paviršiaus temperatūra apie 1000^oC ji pradėjo naują „kraštųjų jupiterių“ planetų klasę. Neįprastos planetos savybės iš pradžių kėlė įtarimą, tačiau per kitus 5 m. buvo atrastos dar 34 panašios planetos. Kitais metais Džefris Marsis pasiūlė ją pavadinti Belerofontu, graikų mitų veikėju, sutramdžiusiu Pegasą. Tačiau 2015 m. Tarptautinė astronomų sąjunga jai suteikė Dimidijaus (nuo lot. dimidium - „pusė“, nes jos masė lygi pusei Jupiterio masės) vardą

Čia verta padaryti mažą pastabą: dar 1992 m. A. Volšanas ir D. Freilas dvi ekzoplanetas aptiko prie pulsaro PSR1257+12 (žr. >>>>>). Tačiau pulsaras – tai neutroninė žvaigždė, liekana po supernovos sprogimo, turinčio sunaikinti planetų sistemą, tad „antrinės“ vėliau susiformavusios planetos, nesuteikiančios vilties jose rasti gyvybę, mažiau įdomios astrofizikams. Be to, ir tokių planetų aptikimo metodai kitokie.

Tas atradimas atskleidė slaptą Visatos matavimą. M. Mayor²⁾ ir D. Queloz³⁾ parodė, kad Saulės sistema nėra unikali – ir tik laiko klausimas, kada kitos planetų sistemos bus atrastos. Į paieškas įsiliejo naujų protų ir pinigų. 2006 m. į orbitą iškeltas ekzoplanetų ieškantis „Corot⁴⁾“ teleskopas; paskui jį 2009 m. sekė „Kepler“ ir TESS (2018). Kandidatų į planetas 2019-ais jau turime per per 4000 – jos svyruoja nuo Žemės tipo uolingų iki Jupiterio tipo dujinių milžinių. Kai kurios turi atmosferą; kai kuriose yra vandens. Jų skaičiai verčia astrofizikus permąstyti planetų susidarymo procesus.

Planetos susidaro iš atidreifavusių nuolaužų?

Astrofizikai panaudojo JWST teleskopo vidutinių infraraudonųjų spindulių prietaisą MIRI tyrimui protoplanetinių diskų aplink 4-ias į Saulę panašias žvaigždes Tauro žvaigždyne esančiame žvaigždžių susidarymo regione, kurių amžius 2-3 mln. m. Du iš tų diskų yra kompaktiniai, o kiti du gerokai platesni. Stebėjimai patvirtino planetų susidarymo dreifavimo būdu hipotezę (kaip skelbiama The Astrophysical J. Letters, vol.957, no.2, Nov. 2023).

Pagal ją laikoma, kad ledingos nuolaužos išoriniuose protoplanetinių diskų srityse, kuriose susiformuoja kometos, yra medžiaga planetoms. Tos nuolaužos turėtų dreifuoti link žvaigždės dėl trinties dujų diske, planetų užuomazgoms pristatydamos tiek kietas daleles, tiek vandenį. Tačiau jei jos patenka už vadinamosios „sniego linijos“, tada turi išskirti daug vandens garų.

Kompaktinių diskų atveju nuolaužos persikelia atstumu, prilygstančiu atstumui iki Neptūno, o platesniuose diskuose išsilaiko keliuose žieduose, išsidėsčiusiuose 6 kartus toliau. Kartu nustatyta, kad kompaktinių diskų vidinėse srityse yra aukštesnis vandens lygis, o plačiuose diskuose, ten, kur randasi stambios planetos, atsiranda slėgio gaudyklės sugaudančios tas nuolaužas, taip trukdant joms pasiekti vidines planetas.

¹⁾ Džeimsas Piblas (James Peebles, g. 1935 m.) – kanadiečių kilmės amerikiečių astrofizikas, astronomas ir kosmologas; Nobelio premijos laureatas (2019). Daktarinę disertaciją apsigynė Prinstono un-te ir su juo susiejo visą tolimesnį gyvenimą. Nuo 1964 m. didžioji jo darbų dalis skirta teorinei kosmologijai. Tuo metu ši sritis laikyta beveik „užbaigta“, tačiau jis padarė žymų indėlį į Didžiojo sprogimo teoriją, nuspėjo kosmoso mikrobangio spinduliavimo (CMBR) egzistavimą. 1987 m. jis ankstyvajai Visatai pasiūlė pirmapradį izokreivinį barioninį modelį (PIB). Nuo 8-o dešimtm. pradžios nagrinėja tamsiosios materijos klausimus.
Taip pat skaitykite >>>>> bei >>>>>

²⁾ Mišelis Majoras (Michel Gustave Edouard Mayor, g. 1942 m.) – šveicarų astrofizikas, Ženevos un-to profesorius; darbuojasi Ženevos observatorijoje; Nobelio premijos laureatas (2019). Buvo Šveicarijos astrofizikos ir astronomijos draugijos prezidentu (1990-93). 1995 m. kartu su D. Kelo surado pirmąją ekzoplanetą, esančią prie Pegaso 51 žvaigždės. Kitos jo mokslinių tyrimų sritys yra dvinarių žvaigždžių statistinės charakteristikos, kamuolinių spiečių dinamika, galaktikos struktūra ir kinematika.

³⁾ Didjo Kelo (Didier Patrick Queloz, g. 1966 m.) - šveicarų astronomas, Kembridžo un-to profesorius (nuo 2013 m.); Nobelio premijos laureatas (2019). 1995 m. kartu su M. Majoru surado pirmąją ekzoplanetą. Anglijoje bendradarbiavo su WASP komanda, ieškančia ekzoplanetų tranzito per žvaigždę būdu, o dabar dirba su anos įpėdine NGTS. Jis prognozuoja, kad per ateinančius 30 m. žmonės kosmose ras nežemišką gyvybę.

⁴⁾ CoRoT (pranc. Convection, Rotation et Transits planetaires) – orbitinis teleskopas, kurio pagrindine veikla buvo ekzoplanetų paieška. Jis iškeltas 2006 m. gruodžio 27 d. iš Baikonūro kosmodromo ir veikė iki 2013 m. birželio. Pirmąją planetą atrado 2007 m. gegužės 3 d.; viso per misiją buvo atrastos 25-ios ekzoplanetos. Tarp jų išskirtina COROT-7b Vienaragio žvaigždyne, atrasta 2009 m., kuri buvo pirmoji, sudaryta iš uolienų ar metalo.