Astrofizikai paneigė tai, ką vadovėliuose mokėmės apie žvaigždes

Tiksliai nustatyta mūsų galaktikos žvaigždžių spiečių raida suteiktų daugiau žinių apie Visatos vystymąsi nuo Didžiojo sprogimo.

Nors žvaigždžių spiečių formavimasis apipintas įvairiomis hipotezėmis, lietuvių astrofizikų atlikti tyrimai paskatino kai kuriomis jų suabejoti. Tyrimas, kurio metu aiškintasi cheminė bei dinaminė žvaigždžių spiečių raida, atskleidė, jog tai, ką tyrėjams kadaise teko mokytis vadovėliuose, dabar tenka paneigti.

Tiksliai nustatyta mūsų galaktikos žvaigždžių spiečių raida suteiktų daugiau žinių apie Visatos vystymąsi nuo Didžiojo sprogimo. Nors žvaigždžių spiečių formavimasis apipintas įvairiomis hipotezėmis, lietuvių astrofizikų atlikti tyrimai paskatino kai kuriomis jų suabejoti. Tyrimas, kurio metu aiškintasi cheminė bei dinaminė žvaigždžių spiečių raida, atskleidė, jog tai, ką tyrėjams kadaise teko mokytis vadovėliuose, dabar tenka paneigti.

Lietuviai paneigė klaidingas prielaidas

Lietuvių tyrėjai, vadovaujami Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos instituto mokslininko dr. Arūno Kučinsko, porą metų aiškinosi mūsų galaktikos žvaigždžių spiečių cheminės raidos ir dinaminių savybių sąsajas, siekdami atkurti labiausiai tikėtinus spiečių raidos scenarijus.

Įgyvendinant Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą projektą „Galaktikos žvaigždžių spiečių cheminės ir dinaminės raidos sąsajos“ tirtos per 17 tūkst. šviesmečių nuo Žemės nutolusio spiečiaus Tukano 47 (47 Tucanae) žvaigždės. Pirmą kartą tiriant tiek centrinėje, tiek išorinėje spiečiaus dalyje esančias žvaigždes, nustatyta jas sudarančių lengvųjų cheminių elementų – deguonies, natrio, magnio ir aliuminio – koncentracija bei sąsajos tarp šių cheminių elementų gausos ir žvaigždžių judėjimo spiečiuje savybių.

Pasak A. Kučinsko, žvaigždžių spiečius – tai daugmaž vienu metu toje pačioje kosminės erdvės vietoje susiformavusios žvaigždės, kurios, veikiamos gravitacijos jėgos, skrieja aplink spiečiaus masės centrą. Žvaigždžių spiečiai pagal masę gali būti įvairūs – paprastai nuo kelių šimtų iki 1 mln. ar daugiau Saulės masių (Saulės masė – 1,989×10³⁰ kg). Kamuoliniai žvaigždžių spiečiai – patys masyviausi, jų masė siekia nuo kelių šimtų tūkstančių iki kelių milijonų Saulės masių. Ilgą laiką buvo manoma, kad visoms spiečiaus žvaigždėms turėtų būti būdingas toks pat amžius ir tokia pati cheminė sudėtis. Tačiau panašu, jog ši prielaida – klaidinga.

Žvaigždžių spiečiai formuojasi iš tarpžvaigždinių (molekulinių) debesų, sudarytų iš dujų ir dulkių. Šios dujos ir dulkės turi tam tikrą cheminę sudėtį: debesyse dominuoja vandenilis ir helis, tačiau skirtinguose debesyse skiriasi sunkesnių už helį cheminių elementų koncentracija. Prieš gerus 20 metų pasirodė pirmieji darbai, kuriuose mokslininkai pastebėjo, kad kamuoliniuose žvaigždžių spiečiuose, kuriuos sudaro daugiau nei milijonas žvaigždžių, atskirų šviesulių cheminė sudėtis skiriasi: vienose žvaigždėse yra daugiau vienų lengvųjų elementų (pvz., deguonies), kitose – kitų (pvz., natrio), nors iki tol manyta, kad visoms spiečiaus žvaigždėms būdinga tokia pati cheminė sudėtis.

„Skirtingas lengvųjų cheminių elementų kiekis byloja, jog kažkas su tomis žvaigždėmis turėjo atsitikti ankstyvuoju evoliucijos metu. Tuomet kyla klausimas – kaip taip atsitiko ir ką tai mums sako apie konkretų spiečių bei apie spiečių raidą apskritai? Deja, konkretaus atsakymo neturime, – sakė astrofizikas. Nepaisant to, kai kurie teoriniai spiečių raidos modeliai teigia, kad skirtinga chemine sudėtimi pasižyminčios žvaigždės galėjo formuotis skirtingu metu, t. y., vienos jų yra kiek senesnės, kitos – jaunesnės.“

Kaip nustatoma cheminė žvaigždės sudėtis?

Teleskopą su specialiu prietaisu – spektrografu – astrofizikai kreipia į danguje matomą spiečių, registruodami atskirų jo žvaigždžių šviesą ir išskleisdami ją į spektrą, pagal kurį nustatoma cheminė sudėtis. Spektrografas – prietaisas, parodantis tai, ką regime lyjant lietui – vaivorykštę. Kiekvienas cheminis elementas, esantis tam tikroje žvaigždėje, palieka pėdsaką jos spektre – spektro liniją. O norint nustatyti tikslų cheminių elementų kiekį, prasideda dar sudėtingesnis procesas.

„Tam, kad nustatytume cheminių elementų kiekį žvaigždėje, turime sukurti teorinį žvaigždės modelį bei apskaičiuoti tokios žvaigždės spektrą. Dirbtinai koreguojant pasirinkto cheminio elemento gausą žvaigždės modelyje, keisis ir šio modelio spektras, o lygindami pastarąjį su tiriamos žvaigždės spektru galime nustatyti elemento gausą šioje žvaigždėje. Kuo didesnė tiriamo cheminio elemento koncentracija yra žvaigždėje, tuo aiškesnė, stipresnė to elemento spektro linija matoma žvaigždės spektre“, – aiškino dr. A. Kučinskas.

Cheminių elementų gausą tiriamų žvaigždžių atmosferose lietuvių mokslininkai nustato pasitelkdami šiuo metu pažangiausius trimačius (3D) hidrodinaminius žvaigždžių atmosferų modelius bei naujausią 3D NLTE (angl. non-local thermodynamic equilibrium) spektrų analizės metodiką. Kai žvaigždės modelyje dirbtinai sugeneruota linija ima atitikti spektrografu matomą liniją, sužinoma konkretaus cheminio elemento gausa, o kartais – ir amžius.

„Pasaulyje vis dar plačiai naudojami vienmačiai, sferiniai žvaigždžių modeliai, todėl trimatė, dinaminė jų versija dar tik pradedama naudoti. Tai reiškia, kad galime sumodeliuoti žvaigždę, kurioje medžiaga laisvai juda įvairiomis kryptimis – pavyzdžiui, kaip tai yra Saulėje. Esame pirmieji pasaulyje, spiečius tyrę naudodami tokius modelius“, – džiaugėsi projekto vadovas.

Skirtingos cheminės sudėties žvaigždės spiečiuje juda skirtingomis orbitomis

Įgyvendinant projektą išsiaiškintos ir skirtingose spiečiaus vietose esančių žvaigždžių kinematinės (t. y., susijusios su jų judėjimu) savybės: skriejimo aplink spiečių greitis ir šio sąsajos su chemine sudėtimi.

Lietuviams tyrėjams pavyko įrodyti, kad arčiau spiečiaus centro esančioms žvaigždėms būdinga vienokia sudėtis, o toliau esančioms – kitokia. Taip pat įrodyta, jog skirtingos cheminės sudėties žvaigždės aplink spiečiaus centrą skrieja nevienodu greičiu. Skiriasi ir kai kurios kitos tokių žvaigždžių kinematinės savybės. Vykdant projektą „Galaktikos žvaigždžių spiečių cheminės ir dinaminės raidos sąsajos“ pavyko atskleisti, kad cheminės ir kinematinės žvaigždžių savybės tarpusavyje labai stipriai susijusios. Išvis ištirta apie 100 žvaigždžių, todėl norima padidinti imtį ir tyrimus tęsti ateityje.

„Spiečių evoliucija yra viena iš fundamentalių šiuolaikinės astrofizikos problemų. Kamuolinius spiečius matome ne tik savo, bet ir gretimose galaktikose. Taip pat regime ir nykštukines sferoidines galaktikas, kurių masė panaši į Galaktikos kamuolinių spiečių mases, tačiau šių galaktikų žvaigždėms cheminės sudėties anomalijos nebūdingos, – teigė astrofizikas. – Atliekamais tyrimais norėtume atsakyti į vieną klausimą: kaip vyko spiečių evoliucija? Kaip jie formavosi, kas vyko po to – koks tas scenarijus? Mūsų gautieji rezultatai netelpa į jokias iki šiol spiečių raidą aiškinusias teorijas. Reikia kažko naujo ir tai bus galvosūkis teoretikams: be teorinių modelių astrofizikos progresas neįsivaizduojamas. Kita vertus, patys taip pat sukame galvą, kokie nauji indikatoriai galėtų duoti papildomos informacijos apie spiečių raidą.“

Projekto „Galaktikos žvaigždžių spiečių cheminės ir dinaminės raidos sąsajos“ metu gauti rezultatai suteikė naujos informacijos apie galaktikos žvaigždžių spiečių cheminę bei dinaminę raidą ir padėjo tvirtesnius pagrindus žvaigždžių spiečių raidos tyrimams ateityje.

Tiriamų žvaigždžių dinaminės savybės bei cheminių elementų gausa jų atmosferose analizuota panaudojant aukštos kokybės spektroskopinių stebėjimų medžiagą, gautą Europos pietinės observatorijos (angl. European Southern Observatory) VLT teleskopais bei UVES/GIRAFFE spektrografais. Projektas pradėtas įgyvendinti 2013 m., baigtas – 2015 balandį.