Neparastais kosmoss: galaktikas killeri
A
Pagājušajā
gadsimta trīsdesmitajos gados, bet it sevišķi pēc II
pasaules kara, strauji attīstoties radiotehnikai, astronomiem
pavērās iespēja apgūt jaunu kosmiskā
elektromagnētiskā starojuma spektra diapazonu.
Tādējādi no klasiskās jeb optiskās astronomijas
pirmā nozarojās radioastronomija, kas deva daudz
pārsteidzošu atklājumu un radikāli mainīja
priekšstatus par kosmisko objektu dabu un tajos notiekošajiem
procesiem. Par kosmisko starojumu dabu un iedarbību SP stāsta LU
Astronomijas institūta direktors LZA korespondētājloceklis Dr.
phys. Arturs BALKLAVS-GRĪNHOFS.
Visums rentgenā
Kā astronomiem, tā arī
plašākai publikai kļuvuši pierasti tādi neparasti
jēdzieni kā radiogalaktikas, kvazāri, pulsāri u. c., kas,
protams, vēl vairāk sakāpināja interesi par to, kāds
Visums izskatās elektromagnētiskā starojuma spektra otrajā
cieto kvantu, t. i., rentgenstaru (rs.) un it īpaši jau
viscietāko jeb gamma starojuma (g.s.) kvantu galā, jo tie dotu
liecību par tiem spēcīgajiem enerģētiskajiem
procesiem, kuri izraisītu atomu kodolu pārvērtības.
Lai gan nepieciešamo tehnisko
aprīkojumu rs. un g.s. uztvērējus fiziķi jau bija
apguvuši, līdz to izmantošanai astronomiskos pētījumos
vēl bija jāgaida, kamēr ar šiem uztvērējiem
apgādātos rs. un g.s. teleskopus varētu pacelt virs
blīvajiem atmosfēras slāņiem, kas šiem cietajiem un
nāvējošajiem kvantiem neļauj nonākt līdz Zemes
virsmai. Tāda iespēja radās līdz ar kosmonautikas
attīstību, un tā astronomijā ienāca rs. un gamma staru
astronomija, kas atkal sagādāja astronomiem virkni negaidītu
pārsteigumu, viens no kuriem ir kosmiskā g.s. uzliesmojumi
(k.g.s.u.).
K.g.s.u.
pirmo reizi detektēja ASV militārai izlūkošanai palaistie Vela
tipa satelīti aukstā kara laikā, lai konstatētu
kodolizmēģinājumus, kuros, kā zināms,
ģenerējas spēcīgs elektromagnētiskais, tostarp
arī g.s., impulss, un pirmās publikācijas par k.g.s.u.
parādījās jau 1973. gadā. Taču virkne rs. un g.s.
teleskopu tehnisko nepilnību, kā arī k.g.s.u.
neprognozējamība traucēja šo ļoti
intriģējošo parādību izpēti līdz pat 1991.
gadam, kad uz speciāli šim nolūkam palaistā satelīta
CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory Komptona gamma staru
observatorija) uzstādītā g.s. detektēšanas
iekārta BATSE (Burst and Transient Source Experiment
uzliesmojumu un īslaicīgu avotu eksperiments) atklāja, ka
šo uzliesmojumu avoti ir vienmērīgi izkliedēti pa visu
debesjumu. Tā jau bija zinātniska sensācija, jo
norādīja uz lielu daudzumu ārpusgalaktisku un spēcīgu
gamma starojuma avotu pastāvēšanu. Tādi netika
novēroti ne Saules sistēmas apkārtnē, ne arī mūsu
Galaktikā jeb Putnu Ceļā. Lieki teikt, ka tas vēl
vairāk sakāpināja interesi par šo mīklaino
parādību dabu.
K.g.s.u. izpaužas kā īsi
impulsi un to sērijas ar ļoti īsu impulsa frontes pieauguma
laiku Dt, kas liecina par ļoti strauju,
eksplozīvu (Dt<1 milisek) procesa attīstību (skat. 1. att., kas ņemts
no Karaliskās Astronomijas biedrības žurnāla Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society, 11 January 2001, p. L26).
Optiskie
dubultnieki
Tomēr
vislielāko sensāciju radīja šo uzliesmojumu optisko
dubultnieku pēcblāzmu - sekmīgā novērošana, jo
tā deva iespēju pēc optisko spektrāllīniju
sarkanās nobīdes novērtēt attālumu līdz šiem
objektiem un līdz ar to izdarīt atklājumu, ka šie avoti
atrodas ļoti lielos, miljardos gaismas gadu (g.g.) mērāmos jeb
tā sauktos kosmoloģiskos attālumos. Tas jau pavisam skaidri
parādīja, ka astronomi ir satapušies ar procesiem, kuros
izdalās ekstrēmi lielas enerģijas (skat. 2., 3. un 4.att.).
Optiskās
pēcblāzmas cēlonis ir dažādie mijiedarbības
procesi, kas tiek iniciēti, uzliesmojumā ģenerētajiem g.s.
kvantiem caurstrāvojot gan savas galaktikas starpzvaigžņu vielu,
gan tās galaktikas, kas atrodas starp uzliesmojuma avotu un Zemi. Tā,
piemēram, ietriecoties starpzvaigžņu gāzē,
šīs varenās gamma kvantu lavīnas var radīt
jaudīgus triecienviļņus, kuri, izplatoties
starpzvaigžņu vidē, to uzkarsē un inducē optisku
starojumu vai arī rada to, absorbējoties galaktiku
starpzvaigžņu gāzē, to ierosinot un pakāpenisku
pāreju gaitā transformējoties par optisko starojumu.
Par to, cik
šī k.g.s.u. laikā emitētā enerģija var būt
liela, var pārliecināties, aplūkojot tabuliņu, kurā
sakopoti divi līdz šim vislabāk izpētīto k.g.s.u.
parametri.
-------------------------------------
uzliesmojuma Dt
Eg
Nsub
apzīmējums(*) (s)
(ergi)
-------------------------------------
GRB 971214 40 ~3,0.1053 ~6
GRB 990123 100 ~3,4.1054 ~8
-------------------------------------
(*)GRB ir saīsinājums no
angļu valodas - gamma ray burst gamma staru uzliesmojums; pirmie
divi skaitļi norāda gadu, kad uzliesmojums ir reģistrēts,
otrie mēnesi, trešie dienu jeb datumu; Dt norāda k.g.s.u. ilgstību
(sekundēs); Eg - k.g.s.u. izdalītā
enerģija, pieņemot, ka tā tiek izstarota izotropi; Nsub
k.g.s.u. laikā vairāk vai mazāk pārliecinoši
reģistrētie apakšuzliesmojumi vai subuzliesmojumi. Zemes
tuvumā šo tālo avotu radītās g.s. plūsmas ir
ļoti niecīgas ap 10-5 ergi/cm2.
Eksotiskas
teorijas un īstenība
Šie
pētījumi, protams, izraisīja dažādas hipotēzes,
kuru nolūks bija sameklēt iespējamus k.g.s.u. mehānismus,
kā arī intensīvus pētījumus, lai konstruētu
atbilstošus teorētiskus modeļus, kuri varētu izskaidrot
šādu milzīgu enerģiju ģenerēšanos. Par to,
ka šajā ziņā astronomiem nevar pārmest vēlmju un
izdomas trūkumu, var liecināt tas, ka nu jau apmēram 30 gadu
laikā kopš k.g.s.u. atklāšanas par to cēloņiem ir
diskutēts daudzās teorijās, tostarp visai eksotiskās,
piemēram, zvaigžņu sadursmes, sevišķu, vēl
nepazīstamu matērijas pirmveidu vai stāvokļu
transformācijas, melnie caurumi (m.c.) Saules sistēmā, komētu
eksplozijas, ļoti lielu masu (masas lielākas par 25 Saules
masām) zvaigžņu kolapss, topot par m.c., un to uzliesmojums
kā hipernovas šī procesa gaitā utt.
No
šiem uzliesmojumiem sevišķu uzmanību ir piesaistījis
GRB 971214. To 1997. gada 14. decembrī reģistrēja
satelītā BeppoSAX uzstādītais g.s. monitors, un tas
bija trešais k.g.s.u., kuram novēroja optisko pēcblāzmu. Ja
šī avota attālums ir ap 12 miljardiem g.g., tad nav grūti
aplēst, ka ar GRB 971214 saistītais avots dažās
sekundēs izstaro tādu pašu enerģiju, kādu viss
mūsu Putnu Ceļš, kurš satur ap 200 miljardiem
zvaigžņu, izstaro 200 gadu laikā.
Vēl
lielāka enerģijas aplēse, kā redzams no tabulas, seko no
1999. gada 23. janvārī ar BATSE novērotā k.g.s.u.
Aprēķini rādīja, ka šis avots, atrodoties ap 10
miljardu g.g. attālumā, k.g.s.u. laikā ir izstarojis
enerģiju, kas pārsniedz vairāk nekā daudzu miljonu miljardu
(>1016) Saulei līdzīgu zvaigžņu
producēto enerģiju.
Melnie caurumi
Šobrīd vislielāko
popularitāti ir ieguvis ķīniešu astrofiziķu K. Čenga
(K.S. Cheng) un J. Lu (Y. Lu) izstrādātais modelis ar
masīvu un ātri rotējošu melno caurumu (m.c.) galaktiku
kodolos, jo rotācijā m.c. iegūst kvalitatīvi jaunas un
visai neparastas īpašības, tostarp un pie atbilstošiem
nosacījumiem, galvenokārt, ja ir pietiekams apkārtējo
zvaigžņu daudzums, izraisot arī ārkārtīgi
intensīva g.s. ģenerāciju.
Zinot k.g.s.u.
izdalītās enerģijas, nav grūti aprēķināt, ka
gadījumā, ja šādu starojumu ģenerējoša
galaktika atrastos mums tuvākās galaktikas Lielā Magelāna
Mākoņa (attālums līdz tam ir ap 163 tūkstoši
g.g.) vietā, g.s. intensitāte Zemes tuvumā būtu tik
augsta, ka dzīvības pastāvēšana nebūtu
iespējama. Tas padara šādas galaktikas par īstām
slepkavām jeb killeriem.
Taču mums par
laimi šādas intensitātes k.g.s.u. ir raksturīgi tikai
ļoti tālām, t. i., ļoti jaunām galaktikām to
dzimšanas un veidošanās stadijā, kad notika biežas
galaktiku sadursmes. Galaktikām kļūstot vecākām, šie
vētrainie ar m.c. saistītie aktivitātes procesi dažādu
faktoru dēļ pamazām norimst. Liecība tam ir daudzu tuvo
galaktiku un arī mūsu Putnu Ceļa galaktikas kodolu
novērojumi, kuros arī atrodas masīvi daudzu desmitu un simtu
miljonu Saules masu lieli m.c., bet procesi to apkārtnē, kas ir
dažādu, tostarp arī g.s., cēlonis, rit ar mazu
intensitāti un mūs neapdraud.
Pagājušajā
gadsimta trīsdesmitajos gados, bet it sevišķi pēc II
pasaules kara, strauji attīstoties radiotehnikai, astronomiem
pavērās iespēja apgūt jaunu kosmiskā
elektromagnētiskā starojuma spektra diapazonu.
Tādējādi no klasiskās jeb optiskās astronomijas
pirmā nozarojās radioastronomija, kas deva daudz
pārsteidzošu atklājumu un radikāli mainīja
priekšstatus par kosmisko objektu dabu un tajos notiekošajiem
procesiem. Par kosmisko starojumu dabu un iedarbību SP stāsta LU
Astronomijas institūta direktors LZA korespondētājloceklis Dr.
phys. Arturs BALKLAVS-GRĪNHOFS.
Visums rentgenā
Kā astronomiem, tā arī
plašākai publikai kļuvuši pierasti tādi neparasti
jēdzieni kā radiogalaktikas, kvazāri, pulsāri u. c., kas,
protams, vēl vairāk sakāpināja interesi par to, kāds
Visums izskatās elektromagnētiskā starojuma spektra otrajā
cieto kvantu, t. i., rentgenstaru (rs.) un it īpaši jau
viscietāko jeb gamma starojuma (g.s.) kvantu galā, jo tie dotu
liecību par tiem spēcīgajiem enerģētiskajiem
procesiem, kuri izraisītu atomu kodolu pārvērtības.
Lai gan nepieciešamo tehnisko
aprīkojumu rs. un g.s. uztvērējus fiziķi jau bija
apguvuši, līdz to izmantošanai astronomiskos pētījumos
vēl bija jāgaida, kamēr ar šiem uztvērējiem
apgādātos rs. un g.s. teleskopus varētu pacelt virs
blīvajiem atmosfēras slāņiem, kas šiem cietajiem un
nāvējošajiem kvantiem neļauj nonākt līdz Zemes
virsmai. Tāda iespēja radās līdz ar kosmonautikas
attīstību, un tā astronomijā ienāca rs. un gamma staru
astronomija, kas atkal sagādāja astronomiem virkni negaidītu
pārsteigumu, viens no kuriem ir kosmiskā g.s. uzliesmojumi
(k.g.s.u.).
K.g.s.u.
pirmo reizi detektēja ASV militārai izlūkošanai palaistie Vela
tipa satelīti aukstā kara laikā, lai konstatētu
kodolizmēģinājumus, kuros, kā zināms,
ģenerējas spēcīgs elektromagnētiskais, tostarp
arī g.s., impulss, un pirmās publikācijas par k.g.s.u.
parādījās jau 1973. gadā. Taču virkne rs. un g.s.
teleskopu tehnisko nepilnību, kā arī k.g.s.u.
neprognozējamība traucēja šo ļoti
intriģējošo parādību izpēti līdz pat 1991.
gadam, kad uz speciāli šim nolūkam palaistā satelīta
CGRO (Compton Gamma-Ray Observatory Komptona gamma staru
observatorija) uzstādītā g.s. detektēšanas
iekārta BATSE (Burst and Transient Source Experiment
uzliesmojumu un īslaicīgu avotu eksperiments) atklāja, ka
šo uzliesmojumu avoti ir vienmērīgi izkliedēti pa visu
debesjumu. Tā jau bija zinātniska sensācija, jo
norādīja uz lielu daudzumu ārpusgalaktisku un spēcīgu
gamma starojuma avotu pastāvēšanu. Tādi netika
novēroti ne Saules sistēmas apkārtnē, ne arī mūsu
Galaktikā jeb Putnu Ceļā. Lieki teikt, ka tas vēl
vairāk sakāpināja interesi par šo mīklaino
parādību dabu.
K.g.s.u. izpaužas kā īsi
impulsi un to sērijas ar ļoti īsu impulsa frontes pieauguma
laiku Dt, kas liecina par ļoti strauju,
eksplozīvu (Dt<1 milisek) procesa attīstību (skat. 1. att., kas ņemts
no Karaliskās Astronomijas biedrības žurnāla Monthly
Notices of the Royal Astronomical Society, 11 January 2001, p. L26).
Optiskie
dubultnieki
Tomēr
vislielāko sensāciju radīja šo uzliesmojumu optisko
dubultnieku pēcblāzmu - sekmīgā novērošana, jo
tā deva iespēju pēc optisko spektrāllīniju
sarkanās nobīdes novērtēt attālumu līdz šiem
objektiem un līdz ar to izdarīt atklājumu, ka šie avoti
atrodas ļoti lielos, miljardos gaismas gadu (g.g.) mērāmos jeb
tā sauktos kosmoloģiskos attālumos. Tas jau pavisam skaidri
parādīja, ka astronomi ir satapušies ar procesiem, kuros
izdalās ekstrēmi lielas enerģijas (skat. 2., 3. un 4.att.).
Optiskās
pēcblāzmas cēlonis ir dažādie mijiedarbības
procesi, kas tiek iniciēti, uzliesmojumā ģenerētajiem g.s.
kvantiem caurstrāvojot gan savas galaktikas starpzvaigžņu vielu,
gan tās galaktikas, kas atrodas starp uzliesmojuma avotu un Zemi. Tā,
piemēram, ietriecoties starpzvaigžņu gāzē,
šīs varenās gamma kvantu lavīnas var radīt
jaudīgus triecienviļņus, kuri, izplatoties
starpzvaigžņu vidē, to uzkarsē un inducē optisku
starojumu vai arī rada to, absorbējoties galaktiku
starpzvaigžņu gāzē, to ierosinot un pakāpenisku
pāreju gaitā transformējoties par optisko starojumu.
Par to, cik
šī k.g.s.u. laikā emitētā enerģija var būt
liela, var pārliecināties, aplūkojot tabuliņu, kurā
sakopoti divi līdz šim vislabāk izpētīto k.g.s.u.
parametri.
-------------------------------------
uzliesmojuma Dt
Eg
Nsub
apzīmējums(*) (s)
(ergi)
-------------------------------------
GRB 971214 40 ~3,0.1053 ~6
GRB 990123 100 ~3,4.1054 ~8
-------------------------------------
(*)GRB ir saīsinājums no
angļu valodas - gamma ray burst gamma staru uzliesmojums; pirmie
divi skaitļi norāda gadu, kad uzliesmojums ir reģistrēts,
otrie mēnesi, trešie dienu jeb datumu; Dt norāda k.g.s.u. ilgstību
(sekundēs); Eg - k.g.s.u. izdalītā
enerģija, pieņemot, ka tā tiek izstarota izotropi; Nsub
k.g.s.u. laikā vairāk vai mazāk pārliecinoši
reģistrētie apakšuzliesmojumi vai subuzliesmojumi. Zemes
tuvumā šo tālo avotu radītās g.s. plūsmas ir
ļoti niecīgas ap 10-5 ergi/cm2.
Eksotiskas
teorijas un īstenība
Šie
pētījumi, protams, izraisīja dažādas hipotēzes,
kuru nolūks bija sameklēt iespējamus k.g.s.u. mehānismus,
kā arī intensīvus pētījumus, lai konstruētu
atbilstošus teorētiskus modeļus, kuri varētu izskaidrot
šādu milzīgu enerģiju ģenerēšanos. Par to,
ka šajā ziņā astronomiem nevar pārmest vēlmju un
izdomas trūkumu, var liecināt tas, ka nu jau apmēram 30 gadu
laikā kopš k.g.s.u. atklāšanas par to cēloņiem ir
diskutēts daudzās teorijās, tostarp visai eksotiskās,
piemēram, zvaigžņu sadursmes, sevišķu, vēl
nepazīstamu matērijas pirmveidu vai stāvokļu
transformācijas, melnie caurumi (m.c.) Saules sistēmā, komētu
eksplozijas, ļoti lielu masu (masas lielākas par 25 Saules
masām) zvaigžņu kolapss, topot par m.c., un to uzliesmojums
kā hipernovas šī procesa gaitā utt.
No
šiem uzliesmojumiem sevišķu uzmanību ir piesaistījis
GRB 971214. To 1997. gada 14. decembrī reģistrēja
satelītā BeppoSAX uzstādītais g.s. monitors, un tas
bija trešais k.g.s.u., kuram novēroja optisko pēcblāzmu. Ja
šī avota attālums ir ap 12 miljardiem g.g., tad nav grūti
aplēst, ka ar GRB 971214 saistītais avots dažās
sekundēs izstaro tādu pašu enerģiju, kādu viss
mūsu Putnu Ceļš, kurš satur ap 200 miljardiem
zvaigžņu, izstaro 200 gadu laikā.
Vēl
lielāka enerģijas aplēse, kā redzams no tabulas, seko no
1999. gada 23. janvārī ar BATSE novērotā k.g.s.u.
Aprēķini rādīja, ka šis avots, atrodoties ap 10
miljardu g.g. attālumā, k.g.s.u. laikā ir izstarojis
enerģiju, kas pārsniedz vairāk nekā daudzu miljonu miljardu
(>1016) Saulei līdzīgu zvaigžņu
producēto enerģiju.
Melnie caurumi
Šobrīd vislielāko
popularitāti ir ieguvis ķīniešu astrofiziķu K. Čenga
(K.S. Cheng) un J. Lu (Y. Lu) izstrādātais modelis ar
masīvu un ātri rotējošu melno caurumu (m.c.) galaktiku
kodolos, jo rotācijā m.c. iegūst kvalitatīvi jaunas un
visai neparastas īpašības, tostarp un pie atbilstošiem
nosacījumiem, galvenokārt, ja ir pietiekams apkārtējo
zvaigžņu daudzums, izraisot arī ārkārtīgi
intensīva g.s. ģenerāciju.
Zinot k.g.s.u.
izdalītās enerģijas, nav grūti aprēķināt, ka
gadījumā, ja šādu starojumu ģenerējoša
galaktika atrastos mums tuvākās galaktikas Lielā Magelāna
Mākoņa (attālums līdz tam ir ap 163 tūkstoši
g.g.) vietā, g.s. intensitāte Zemes tuvumā būtu tik
augsta, ka dzīvības pastāvēšana nebūtu
iespējama. Tas padara šādas galaktikas par īstām
slepkavām jeb killeriem.
Taču mums par
laimi šādas intensitātes k.g.s.u. ir raksturīgi tikai
ļoti tālām, t. i., ļoti jaunām galaktikām to
dzimšanas un veidošanās stadijā, kad notika biežas
galaktiku sadursmes. Galaktikām kļūstot vecākām, šie
vētrainie ar m.c. saistītie aktivitātes procesi dažādu
faktoru dēļ pamazām norimst. Liecība tam ir daudzu tuvo
galaktiku un arī mūsu Putnu Ceļa galaktikas kodolu
novērojumi, kuros arī atrodas masīvi daudzu desmitu un simtu
miljonu Saules masu lieli m.c., bet procesi to apkārtnē, kas ir
dažādu, tostarp arī g.s., cēlonis, rit ar mazu
intensitāti un mūs neapdraud.