Visata ir žmogus

astronomija

2003

Pratarmė

Knygų apie astronomiją lietuvių kalba yra išleista nemažai. Grubiai kalbant, jas galima padalinti į kelias grupes, kiekviena kurių skirta visai kitokiems skaitytojams.

Pirmiausia tai yra knygos astronomams apie astronomiją. Jų skaitytojas turi būti ir specialiai pasiruošęs, ir giliai besidomintis būtent astronomija.

Fundamentaliausias toks veikalas yra A. Ažusienio, A. Pučinsko ir V.

Straižio knyga, kuri taip ir vadinasi – Astronomija. Jeigu norite pradėti gilias šio įdomaus mokslo studijas, pradėkite būtent nuo jos. Knyga, kurią laikote rankose, yra ne jums. Ji nėra skirta nei esamiems, nei būsimiesiems astronomams mokytis astronomijos.

Antrojo tipo knygos yra labai spalvingos, skirtos populiarinti mokslą ir sukelti vaikų bei moksleivių susidomėjimą astronomija. Šios literatūros, ir originalios, ir verstinės, pasirinkimas yra išties labai didelis. Jeigu norite pamatyti, kokia graži Visata ir kokie protingi astronomai, būtinai užeikite į bet kurį knygyną, nusipirkite bet kurią tokią knygą, ir ją paskaitykite.

Suprasti tai, kas ten parašyta, bus nesudėtinga ir išties įdomu ne tik Jums, bet ir Jūsų šeimos nariams. Ši knyga irgi ne tokia, nes ją skaityti nebus taip paprasta kaip tas mokslo populiarinimo – nuolatos teks kiek tai pamąstyti, skaitant per vidurį kartais dar kartą atsiversti jos pradžią, o artėjant prie galo dar ir prisiminti, kas buvo parašyta tame viduryje.

Charakteringiausia trečiojo tipo knyga yra neseniai išleistas S. Hawking bestseleris “Visata riešuto kevale”. Man ši knyga labai patiko, perskaičiau ją vienu prisėdimu. Su autoriumi mes vienmečiai, abu daug metų užsiimame fizika, bendrą kalbą surasti tokiu atveju nėra labai sunku.

Vis tik mūsų tyrimų sritys yra gana tolimos, todėl man skaitant tą knygą labai pravertė kažkada nuodugniai išstudijuota bendroji reliatyvumo teorija, o taip pat gilios kvantinės mechanikos ir aplamai fizikos žinios. Nesupratau, ką ją skaitydamas gali sužinoti ne fizikas ar astrofizikas ir kodėl ji yra bestseleris.

Nieko kito, kaip gausybė neaiškinamų terminų ir paties autorius bei jo draugų hipotezių toje knygoje kaip ir nėra.

Tačiau romantiškas ir tragiškas paties autoriaus likimas, fantastiškos knygos iliustracijos, retkarčiais vis pasitaikantis labai patrauklus angliškas jumoras bei triuškinanti, bet subalansuota knygos reklama padarė savo. Ta knyga yra bestseleris.

Matyt, mano knygai tai negresia, nes reikalingų bestselerio pirkėjui nežinomų žodžių, negirdėtų mokykloje, joje beveik nėra, o jei tokių išvengti neįmanoma, stengiuosi juos kuo paprasčiau paaiškinti. Didžiulės pagarbos astrofizikams ir pačiam autoriui ji neturėtų sukelti, per daug jau paprastai viskas joje aiškinama.

Tai yra knyga apie mūsų gimtuosius namus – Visatą. Ji skirta būsimiesiems inteligentams, norintiems suvokti mūsų vietą Visatoje, susipažinti su daugelio žmonių kartų pastangomis ją suprasti, ir glaustai sužinoti, kaip

Visata regis šiais laikais, kokia jos praeitis, dabartis ir koks likimas jos laukia.

Paskaitų kursas, besiremiantis šiomis idėjomis, yra skaitomas VDU visų fakultetų ir specialybių studentams kaip pasirinktinis Gamtos mokslų pogrupio kursas nuo 1995 metų. Kas semestrą susitinkant su įvairias studentais palaipsniui aiškėjo jų poreikiai, interesai ir temos, kurios sukelia didžiausią susidomėjimą ir yra aktualios humanitarinės, socialinės ar netgi kai kuriems gamtamokslinės pakraipos studentams.

Remiantis sukauptu patyrimu susidarė įspūdis, kad paskaitų pagrindiniai tikslai turėtų būti du.

Pirmasis – padėti studentui, būsimajam inteligentui ir plačiai apsišvietusiam žmogui, nugalėti baimę, kurią sukelia kartkartėmis spaudoje pasirodanti informacija apie kokius nors astronomijos ar fizikos stebėjimų ar tyrimų rezultatus. Kartais ta informacija pateikiama per daug profesionaliai ir atrodo beveik visai nesuprantamai žmogui, turinčiam tik vidurinį išsilavinimą.

Kartais ji atrodo tokia netgi besidominčiam tais reikalais žmogui, bent jau vien dėl to, kad yra perteikiama laikraščio ar kitos informacijos priemonės darbuotojo, kuris pats apie tai labai silpnai nusimano. Skaitytojui ilgainiui susidaro įspūdis, kad tos informacijos ne tik kad neįmanoma suprasti, bet netgi ir prieinamai paaiškinti.

Kovoti su šiuo įspūdžiu labai sunku, bet įmanoma, ir savo paskaitose aš bandau įveikti šią problemą, beveik kiekvieną knygos skyrių pradėdamas nuo istorinės apžvalgos ir demonstracijos, kad netgi senovės žmonės, būdami skvarbaus proto ir nesinaudodami jokiais sudėtingais prietaisais, buvo pajėgūs išsiaiškinti labai nemažai visokių Visatos paslapčių.

Skaitytojas, kuris, kiek įtempęs dėmesį, suvoks šias senovės išminčių idėjas ir metodus, naudotus tyrinėjant artimąjį kosmosą, pajėgs lengviau suvokti ir šiuolaikinio įvaizdžio apie Visatą esmę, o gal ilgainiui net ir pats ją kam nors paaiškinti.

Antrasis vadovėlio tikslas yra suteikti klausytojams žinias, būtinas atsikratyti prietarų, kurie ilgainiui vis labiau ir labiau skverbiasi į visuomenės sąmonę. Kreacionistiniai mitai, astrologų prognozės, spekuliacijos apie ateivių vizitus, stebuklingi visokių ekstrasensų žygdarbiai, reguliariai skelbiami ir demonstruojami, bet labai retai kompetetingai komentuojami profesionalių mokslininkų gali kartais jaunam žmogui sudaryti įspūdį, kad visa tai yra toleruojama ir sudaro paties šiuolaikinio mokslo neatsiejamą dalį. Padėti šiuo atveju gali tiktai sistemingos, nors ir elementarios gamtos mokslų, tame tarpe – ir astronomijos, žinios. Aišku, jos turi būti pateikiamos taip, kad būtų ir suprantamos, ir priimtinos netgi specialiai tam nesiruošusiam, bet trokštančiam tai išsiaiškinti, žmogui.

Ar reikia kiekvienam žmogui žinių apie Visatą? Aišku, sukaupti profesionalias žinias tik perskaičius šią knygą neįmanoma, tačiau pasistengus galima visiškai neblogai ir adekvačiai pradėti suvokti aplinką.

Keičiantis visuomenės vertybių sistemai keičiasi ir jos poreikiai. Kiek žinau, kai kuriuos universitetus, ypač JAV, galima baigti susirinkus kreditus ir taip, kad galima būtų išvengti “neparankių” kursų – kas moka pinigus, tas užsako ir muziką, lavinimuisi tapus preke jos pardavimas yra grynai techninė problema.

Neseniai mačiau kiek ilgesnį nei dviejų minučių trukmės mėgėjišką filmą, kuriame po labai trumpo Harvardo diplomų įteikimo iškilmių pristatymo kažkoks negeras žmogus keletai absolventų ir galų gale vienam profesoriui uždavė “klausimėlį”, kodėl, jų nuomone, Žemėje būna metų laikai.

Protingiausiai atsakė profesorius – taip atsitinka dėl to, kad kinta Mėnulio, Žemės ir Saulės tarpusavio padėtis. Įdomu, ar mūsų universitetų absolventai ir profesoriai galėtų geriau pasirodyti? Tikiu, kad šio kurso klausytojai po semestro turėtų suprasti metų laikų buvimo priežastis bent jau geriau už tą profesorių.

Bandžiau, geriausiai kaip tik sugebu, spręsti šias problemas. Ar pavyko, turi nuspręsti skaitytojas. Iš anksto esu dėkingas už pačias įvairiausias pastabas apie knygą, kurių lauksiu adresu

Gintautas_Kamuntavicius@fc.vdu.lt

Pirmieji, kuriems noriu ypatingai padėkoti už kruopštų šio vadovėlio perskaitymą, yra jo recenzentai – habil. dr. G. Tautvaišienė ir doc. dr. A

Ažusienis. Sunku pervertinti jų pasiūlymus patobulinti pradinį tekstą, kuris po koregavimo tapo ir žymiai sklandesnis, ir žymiai profesionalesnis.

1. Visata ir mokslas

Pažvelgus į dangų giedrą naktį galima suskaičiuoti apie 4000 žvaigždžių.

Akylesnis stebėtojas gali pamatyti kiek daugiau, ne toks akylas – kiek mažiau žvaigždžių. Daug tai ar mažai? Ar tai – jau visa Visata? Jei ne, tai kokią jos dalį taip žiūrėdami matome? Nesunku patikrinti, kad apsiginklavę paprasčiausiu binokliu tuščioje plikai akiai vietoje galima pastebėti naujų žvaigždžių, o pro kad ir nedidelį teleskopą – vėl ir vėl naujų. Dabar jau beveik nereikia ir teleskopo – jei turite priėjimą prie interneto, atsiverskite puslapį http://www.astrosurf.com/ ir galėsite lengvai įsitikinti šiais teiginiais. Paaiškėja, kad balzgana Paukščių Tako juosta, lengvai pastebima danguje, yra vėlgi ne kas kita, kaip daugybė žvaigždžių.

Žvaigždės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiau palyginus su Saule, matoma dieną, jos yra niekingai smulkios ir neišvaizdžios, todėl daug tūkstantmečių niekas net nedrįso pagalvoti, kad jos turi ką nors bendro. Tas atsispindi netgi seniausiuose judėjų mituose, kai dievas antrąją dieną vargo kurdamas Saulę, o po to žaismingai per ketvirtą dieną sukūrė iš karto visas žvaigždes.

Ir iš tiesų, šis vaizdas, matomas plika akimi, yra niekingai maža Visatos, apie kurią tiek daug kalbame, dalis. Daug tūkstančių metų žmonės nieko daugiau ir negalėdavo danguje pamatyti, bet giliausiai mastantiems netgi tų įspūdžių pakakdavo suvokti jos didingumą ir galią. Žvaigždės visada buvo matomos, tačiau jos, kaip iš pirmo žvilgsnio atrodo, visada buvo tik fonas, o ne lygiavertis Saulės sistemai tyrimo objektas. Dėl šios priežasties mažiausiai 20 amžių Visata iš viso buvo tapatinama tik su Saulės sistema.

Šiandien patikimai žinoma, kad Visata atrodo kaip gal net ir begalinė visuma žvaigždžių telkinių – galaktikų, tolstančių viena nuo kitos greičiais, proporcingais atstumams tarp jų. Patikslintas pastaruoju metu pačios Visatos amžius yra apie 13.7 milijardų metų. Šiandien jau surasti milijonai galaktikų, kiekvienoje kurių yra iki nuo milijonų iki šimtų milijardų žvaigždžių. Dauguma tų žvaigždžių tikriausiai turi ir planetų sistemas, nes tai patvirtina ir artimiausiųjų žvaigždžių stebėjimai, ir teorija, kuri teigia, kad formuojantis žvaigždei beveik neišvengiamai jos aplinkoje formuojasi ir visokie kitokie kūnai, taigi – ir planetos.

Įtikinamiausia, kad mūsų Saulė su savo planetų sistema beveik niekuo iš kitų savo sesių neišsiskiria.

Reziumuojant mūsų pirmąjį žvilgsnį į dangų galima pasakyti tik tiek, kad neginkluota akis jame pamato vieną iš šimto milijonų (viso mūsų galaktikoje

– Paukščių Take, yra apie keturis šimtus milijardų žvaigždžių, o matome tik keturis tūkstančius jų, taigi šių skaičių santykis ir sudaro šimtą milijonų) artimiausių mums žvaigždžių. Žvaigždžių, esančių kitose galaktikose, pastebėti neįmanoma. Tiesą pasakius, šiaurės pusrutulyje plika akimi galima pamatyti ir vieną nelabai toli esančią didžiulę galaktiką –

Andromedos ūką, bet nepatyrusiam stebėtojui ji niekuo nuo paprasčiausios žvaigždutės, ar tiksliau pasakius, ūkelio, nesiskiria.

Pav. 1.1,1.2,1.3 ir 1.4. Tolimos galaktikos, užfiksuotos 2002 metų Hablo teleskopo nuotraukose (NASA).

Pati Visata, kurios iš Žemės, kaip ką tik išsiaiškinome, net ir pamatyti neįmanoma, yra labai harmoninga ir vientisa sistema, kurioje globalines savybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės ir atvirkščiai.

Mokslas apie Visatą kaip visumą ir apie Metagalaktiką – stebimą Visatos sritį – kaip tos visumos dalį, vadinasi Kosmologija. Pats šis žodis kildinamas iš graikiškų žodžių kosmos – pasaulis, Visata ir logos – žodis, mokymas. Pagal S. Hawking kosmologija yra mokslas, tiriantis Visatą kaip vieningą sistemą. Būtent šis požiūris į kosmologiją ir yra artimiausias šios knygos autoriui, ir, norėčiau tikėti, daugumai jos skaitytojų, nors tradiciškai astronomija kaip mokslas, studijuojantis materialiąją aplinką už Žemės atmosferos ribų, yra pasidalinęs į daug šakų, tokių kaip planetų astronomija, Saulės astronomija, žvaigždžių astronomija, galaktinė astronomija ir kitos, kosmologijai palikdamas tik užgalaktinę astronomiją.

Deja, kuo toliau, tuo labiau aiškėja, kad Visatoje nėra atskirų dalių, visi reiškiniai ir objektai yra tampriausiai susiję, ir minėta klasifikacija labiau pritaikyta tik atskirų siaurų astronomijos sričių klasifikacijai ir dirbančių tose srityse specialistų poreikiams tenkinti.

Visatos studijos remiasi fizikos dėsniais ir astronominių stebėjimų duomenimis. Svarbiausias postulatas, kuriuo jos remiasi, yra tas, kad gamtos (fizikos) dėsniai, surasti labai ribotoje Visatos dalyje, kurioje juda Žemė ir kuri prieinama mūsų tyrinėjimams, gali būti ekstrapoliuoti į žymiai didesnę sritį, kurią galima tik stebėti, ir galų gale – į visą

Visatą, kurios, kaip matėme, visos net ir stebėti neįmanoma.

Pagrindinis Visatos tyrimo metodas yra nuolatiniai stebėjimai, sistematiškas žinių apie Visatą kaupimas ir jų kondensavimas patikrinamuose dėsniuose ir teorijose. Toks tyrimo metodas sudaro bet kokių mokslinių tyrimų esmę. Jis atrastas tik prieš keletą šimtų metų, bet jau pats savaime yra didžiulė vertybė. Šiais laikais, kai Interneto dėka pasaulis yra itin susiaurėjęs, apsikeitimas mokslo žiniomis, hipotezių skelbimas ir tikrinimas yra tobulai išvystyti, ir mokslas vystosi iki šiol neįsivaizduotu greičiu. Pasiekus tam tikrą kvalifikaciją, įsijungimas į šį darbą atneša ne tik didelę naudą visuomenei, bet ir unikalius pojūčius bei didžiulį pasitenkinimą kiekvienam šio proceso dalyviui.

Žinomos įvairios kosmologinės teorijos, vystytos įvairiu metu, remiantis tuo ar kitu pažinimo lygiu. Kaip priimta gamtos moksluose, modeliai turi būti patikrinami matomoje Visatos srityje, stebėjimų rezultatai turi patvirtinti teorijos išvadas, ir pati teorija turi nuspėti naujus reiškinius. Šie reikalavimai yra gana griežti, todėl dauguma ankstesnių kosmologinių teorijų neišliko.

Šiuolaikinis mokslas apie Visatą yra paremtas Alberto Einšteino reliatyvistine traukos teorija, Edvino Hablo tarpgalaktinės astronomijos pasiekimais ir kvantine mechanika, susiformavusiomis pradedant dvidešimtojo amžiaus antruoju dešimtmečiu. Jį galima būtų pavadinti nestacionariosios karštosios Visatos homogeniniu izotropiniu modeliu. Ką reiškia šie žodžiai, išsiaiškinsime vėliau, dabar gi reikia pradėti nuo ko nors paprastesnio.

Pastaruoju metu yra galutinai suvokta, kad Visatos savybės pilnai apsprendžia kiekvienos elementariosios dalelės, atomų branduolių, atomų ir galų gale viso to, iš ko padarytas supantis mus pasaulis, savybes. Jei

Visata būtų kitokia, kitokios būtų ir visos šios sistemos. Jų studijos padeda suvokti pačią Visatą. Sudėtingiausias, ko gero, Visatos produktas yra žmogus ir pati žmonių visuomenė, tačiau šiuo atveju ryšys su Visatos savybėmis yra žymiai menkiau suvoktas.

Kuo primityvesnis žmogus arba visuomenė, tuo primityvesnę Visatą jis (ji)

gali įsivaizduoti. Studijuojant požiūrių į Visatą evoliuciją, lengvai pastebimas siekimas suabsoliutinti žmogaus vaidmenį šioje struktūroje, tapatinant Visatos centrą su gyvenamu regionu arba bent jau Žeme. Senovės graikai manė, kad dievai gyvena Olimpo kalne; labai sunku buvo atsisakyti plokščios Žemės įvaizdžio, o po to ištisus keturiolika šimtmečių –

nuostatos, kad Žemė yra Visatos centras. Kai prieš 500 metų M.Kopernikas įrodė, kad Žemė skrieja apie Saulę, M.Liuteris pareiškė: „Šitas kvailys nori visą astronomijos mokslą apversti aukštyn kojomis. Bet, kaip skelbia

Biblija, kaip tik Saulei, o ne Žemei, Jėzus liepė sustoti”. Deja, net keturis amžius po Koperniko atradimo Saulė ir Saulės sistema vis dar buvo laikomos žvaigždžių visatos centru, ir tik trečiajame šio amžiaus dešimtmetyje pagaliau mes suradome tikrąją savo vietą. Pastaraisiais metais surandama vis daugiau ir daugiau netgi artimų Saulei žvaigždžių, turinčių planetas, taigi didėja tikimybė, kad ir pati gyvybė Žemėje nėra koks nors unikalus reiškinys.

Gyvendami mes nuolatos „maudomės” garsų, kvapų ir šviesos „jūrose”. Jei tiek rūšių sodrios informacijos gautume iš Visatos gelmių, gal ir ne tokia paslaptinga ji atrodytų.

Deja, pagrindinis informacijos nešėjas šiuo atveju yra šviesa. Jos atnešama informacija, kaip matysime, yra tam tikra prasme ribota, ir kai kurios

Visatos paslaptys lieka neatskleistos ir neatrodo, kad kas nors gali pasikeisti artimoje ateityje. Garsai iš įvairių Visatos objektų mūsų pasiekti negali, nes tarpžvaigždinėje erdvėje yra labai neblogas vakuumas, o retkarčiais meteoritų arba atsivežtų kosminiais aparatais uolienų pavyzdžių pavidale pasiekiantis mus Visatos „kvapas” nesuteikia itin daug informacijos apie jos sandarą. Kiek daugiau informacijos gaunama registruojant įvairios prigimties kosminius spindulius (ne elektromagnetinių bangų prigimties), tačiau jų registracijai ir identifikavimui reikalinga labai sudėtinga aparatūra ir subtilūs tyrimo metodai.

Visata, kuri pati yra mus pagimdžiusi, nuolatos tarsi nori kažką pasakyti ir stengiasi padėti tą informaciją suprasti. Stebuklinga pagalba yra jau tai, kad abstrakčiomis matematinėmis formulėmis ar lygtimis galima aprašyti realius daiktus ir įvykius, juos suprasti ir netgi valdyti.

Esminis lūžis šiame supratime, matyt, buvo padarytas didžiojo Galileo Galilėjaus, kuris pirmasis suvokė, kad Saulės sistemos planetų paslapčių rakto reikia ieškoti tyrinėjant įvairius reiškinius pačioje Žemėje. Būtent nuo šių jo tyrimų ir prasidėjo visiškai naujas Visatos suvokimo etapas.

Dangus naktį šiais laikais labai panašus į matytą prieš daugelį šimtmečių, tačiau žvelgiantis į jį Žmogus yra kitas, jis naudojasi visiškai kitokiais prietaisais, todėl ir šios skurdžios informacijos jau pakanka susidaryti patenkinamą stebimos

Visatos dalies įvaizdį.

Kad suvoktomėte, kokio jautrumo aparatūrą gamtos tyrimui šiandien naudoja fizikai, papasakosiu pirmiausia apie milijardą dolerių kainavusį CERN

(Europos branduolinių tyrimų centro) elektronų ir pozitronų greitintuvą. Jį sudaro maždaug 27 kilometrų ilgio tunelis, kartais kalnuose tarp

Prancūzijos ir Šveicarijos siekiantis 100 metrų gylį, kuriuo eksperimentų metu į vieną pusę juda elektronai, o į kitą – pozitronai (elektronų antidalelės), retkarčiais nukreipiant jų sriautus į laboratoriją, kur susidūrimų metu gimsta dalelės, sudarančios Visatos struktūros pagrindą.

Koks tikslus yra šis prietaisas, galite spręsti patys.

Pav. 1.5 ir 1.6. CERN greitintuvo schema ir tunelio vidinės dalies, kuria skrieja elektronai ir pozitronai, nuotrauka.

Tik paleidus greitintuvą, pasirodė, kad pluoštelių charakteristikos pastebimai kinta veikiant Saulės ir Mėnulio traukai; nuo jų tarpusavio padėties 27 kilometrų tunelio ilgis pakinta iki 200 mikronų, ir tai galima lengvai pastebėti. Vėliau buvo pamatyti sezoniniai pluoštelių iškraipymai kiekvieną pavasarį, atsirandantys pritekėjus į Ženevos ežerą nuo kalnų vandens. Galų gale, 1995 birželį buvo užfiksuoti pluoštelių iškraipymai, pasikartojantys reguliariai paros bėgyje. Tyrėjų nuostabai, nuodugniau patyrinėjus paaiškėjo, kad juos sukelia iš Ženevos važiuojantys traukiniai, kadangi bėgiai pakloti „tik” kilometro atstume nuo CERN pastato.

Straipsnelis žurnale „New Scientist” taip ir vadinasi „Dabar dalelė juda pro platformą Nr 4″.

Kitas pavyzdys – rekonstruotas Arecibo observatorijos (Puerto Rico) 305 m diametro radioteleskopas. Jis toks jautrus, kad gali užfiksuoti telefono aparato, jei toks būtų, esančio Veneros paviršiuje, skambučio skleidžiamas elektromagnetines bangas ir surasti pakankamai pavojingai priartėjusius didesnio nei 20 m diametro asteroidus.

Pav. 1.7. Arečibo radioteleskopas.

Galų gale, labai įspūdingas yra ir kosminis Hablo teleskopas, kurio skiriamoji geba yra 0.01″.

Pav. 1.8. Hablo teleskopas (NASA).

Dar viena Visatos ypatybė yra ta, kad gamtos knyga, kaip sakė tas pats

Galileo Galilėjus, parašyta matematikos simbolių kalba ir jos nesuprantantys gali nesuvokti nė vieno žodžio ir pasiklysti joje kaip tamsiausiame labirinte. Ačiū dievui, tą matematiką, kurią jis turėjo galvoje taip sakydamas, visi mes jau esame išmokę mokykloje, nes vis tik šiems žodžiams daugiau kaip 350 metų. Iš kitos pusės, ir matematika kaip kalba, ir supratimas apie Visatą per šį laiką labai pasikeitė, todėl išdėstyti pilnai kvalifikuotai šiuolaikinį požiūrį į ją vėl nėra lengva nesinaudojant adekvačiu matematikos aparatu, tačiau pabandyti labai verta, nes kuo bus platesnė jūsų Visata, tuo išmintingesnė ir tuo pačiu turtingesnė bus ir visa mūsų visuomenė.

Taigi, pradėkime nuo to, kad kadaise Visatos centre būdavo talpinama Žemė, aplink kurią sferomis judėjo Saulė, Mėnulis ir matomos plika akimi planetos

(Merkurijus, Venera, Marsas, Jupiteris ir Saturnas). Toliau buvo tvirtas sferinis dangaus skliautas, skiriantis Žemę nuo dangaus, kuriame buvo išbarstytos nejudančios žvaigždės. Visas skliautas, aišku, sukosi apie Žemę pastoviu greičiu. Šis Visatos suvokimas sudarė teologinės kosmologijos, gyvavusios iki XV amžiaus, pagrindą. Jis pasikeitė tik 1417 metais po ilgos užmaršties atspausdinus Lukrecijaus (99-55 BC) poemą „Apie daiktų prigimtį”, kurioje Visata buvo vaizduojama kaip tuštuma, retsykiais užpildyta judančiomis nedaliomis dalelėmis. Buvo teigiama, kad Visata neturi centro ir talpina savyje begalę apgyvendintų pasaulių. Nei ji pati, nei vykstantys joje įvykiai turėtų būti nepavaldūs jokiems dievams.

Didžiausias Lukrecijaus pasekėjas buvo už erezijas sudegintas ant laužo

Džordano Bruno (1548-1600), aktyviai platinęs neoriginalias ir daugeliu atvejų nerealias idėjas.

Pabandykime suvokti, koks naivus yra toks vaizdas. Kaip tiksliai žinoma, didžiausias materialių kūnų judėjimo greitis negali viršyti šviesos greičio vakuume, lygaus apytikriai 300 000 km per sekundę. Tai yra didžiausias galimas ir šios kietos sferos dalių judėjimo greitis. Sfera gi per parą turi „apsisukti” aplink Žemę, todėl maksimalus jos atstumas nuo Žemės turi būti baigtinis. Nesunku suskaičiuoti, kad jis gali būti ne didesnis už keturis milijardus kilometrų. Paskutinės žinomos planetos – Plutono –

orbitos spindulys lygus maždaug šešiems milijardams kilometrų. Taigi, ši sfera turėtų būti ne toliau kaip Saulės sistemos viduje.

Planetų (graikiškai aster planetes reiškia klajojančias žvaigždes)

judėjimas žvaigždžių fone visada atrodė labai sudėtingai.

Pav. 1.9. Marso judėjimo trajektorija, kaip ji matoma iš Žemės.

Kiek žinoma, pirmas bandęs jame susigaudyti buvo Pitagoras (580-500 BC), kuris šį judėjimą netgi tapatino su muzikine harmonija. Analogija buvo paremta tuo, kad garso dažnis priklauso nuo stygos ilgio panašiai kaip planetos apsisukimo periodas – nuo jos atstumo nuo Saulės. Konkretesnis buvo Platonas (427-347 BC), priskyręs kiekvienai planetai permatomą bet kietą sferą, kuri judėjo (sukosi) nešdama „savo” planetą. Platono mokinys

Aristotelis (384-322 BC) šį mokslą patobulino, padidindamas sferų skaičių iki 55. Visiško tobulumo sferų moksle pasiekė Ptolemėjus. Jo darbe, paskelbtame apie 150 AD, operuojama su 40 orbitų, leidusių aprašyti pagrindinių planetų judėjimą dideliu tikslumu, nepagerintu 14 amžių (iki

Ticho Brage ir Johano Keplerio darbų pasirodymo). Viduramžių arabai šį darbą vadino Almagest, kas reiškė didžiausią tobulybę.

Esminę Ptolemėjaus sistemos transformaciją atliko Kopernikas (1473-1543), pernešdamas Visatos centrą iš Žemės į Saulę. Jo darbas vadinosi „Apie dangaus sferų judėjimą”. Jame nebuvo jokių naujovių dėl žvaigždžių sferos, vietoje 40 Ptolemėjaus sferų teko įvesti 48, bet planetų judėjimo aprašymas netapo tikslesnis, ir esminis argumentas, kodėl Visatos centre yra Saulė, buvo tas, kad ji yra pagrindinė, nes viską apšviečia, bet pati idėja pasirodė labai teisinga ir neįkainojama.

Pav. 1.10. Planetos ir sferos.

Visos minėtos teorijos, kaip matome, net nekėlė klausimo, kodėl šios sferos juda. Platonas netgi teigė, kad judančios be priežasčių žvaigždės turi sielas. Mažiausiai du tūkstančius metų nesuvokiama protu jėga, judinanti planetas ir žvaigždes, turėjo būti dieviškos arba bent jau nežemiškos prigimties, ir šis faktas itin skatino visokių mitų ir pasakų populiarumą.

Tikiuosi, kad įdėmiai perskaitę šią knygą turėtumėt suvokti protingus ir todėl gana paprastus atsakymus į šiuos net ir šiandien dar gana sudėtingus klausimus. Visatos paslapčių liks, bet jos bus jau ne tokios skaitlingos ir ne tokios paprastos.

Medžiaga bus pateikiama tokiu pat būdu, kaip vystėsi pati astronomija –

plečiant apžvelgiamą sritį ir nuosekliai iš pradžių aiškinant, kas stebima, tai yra kaip ši sistema atrodo, o po to – bandant išaiškinti, kodėl yra būtent taip, o ne kitaip. Šioje vietoje, žinoma, tuoj pat kyla abejonės, ar tai, kaip sistema atrodo, turi ryšį su tuo, kokia ji yra iš tikrųjų.

Vienintelė garantija šiuo atveju yra visuotinai priimti reikalavimai mokslinei teorijai. Ji turi ne tik aprašyti stebimus reiškinius, bet ir teisingai nuspėti dar nestebėtus. Jei kokia teorija šios sąlygos netenkins, apie ją nekalbėsime, arba užsiminsime, specialiai pabrėždami jos silpnąsias vietas.

Klasikinis tiesos paieškų pavyzdys yra Niutono visuotinės traukos teorija.

T.Bragės planetų judėjimo stebėjimų rezultatai buvo tvarkingai surašyti daugelyje tomų, tačiau susigaudyti juose jis pats nepajėgė. Tai pavyko tik jo mokiniui J.Kepleriui, kuris surado tuose rezultatuose keletą dėsningumų, kurie žinomi kaip trys Keplerio dėsniai. Galileo Galilėjus, pasigaminęs savo garsųjį teleskopą ir pažvelgęs į Jupiterį pamatė keturis jo didžiuosius palydovus ir lengvai įsitikino, kad jų judėjimas tenkina tuos pačius Keplerio dėsnius, surastus tiriant planetų judėjimą. Tai akivaizdžiai pademonstravo, kad ir Saulės, ir Jupiterio palydovų judėjimą sukelia tos pačios jų sąveikos jėgos, o valdo tie patys gamtos dėsniai.

Deja, paaiškinti, kodėl planetos juda būtent pagal šiuos dėsnius, jis irgi nesugebėjo. Tai padarė I.Niutonas, kuriam teko būtent šiam tikslui sukurti šiuolaikinės matematikos – diferencialinio ir integralinio skaičiavimo –

pagrindus. Vieną integralą jis integravo 20 metų, tačiau galų gale viską išsiaiškino. Sukurta teorija ne tik paaiškino Mėnulio ir planetų judėjimą,

Keplerio dėsnius ir Bragės stebėjimų rezultatus, bet ir dabar, praėjus daugiau kaip 300 metų, beveik tokiame pat pavidale naudojama bet ką konstruojant, statant arba leidžiant kokią nors raketą. Per šį laiką paaiškėjo ir jos taikymo ribos. Jei kūnai juda dideliais greičiais, vietoje

Niutono klasikinės mechanikos tenka taikyti Einšteino reliatyvistinę.

Mikroskopinių kūnų, tokių kaip molekulės, atomai ar dar smulkesni, aprašymui tenka naudoti kvantinę mechaniką. Tai nė kiek nesumenkina Niutono teorijos, nes mesto į viršų akmens arba leidžiamo į orbitą kosminio laivo judėjimui aprašyti nei reliatyvumo teorija, nei kvantinė mechanika nereikalingos.

Pastabesnis skaitytojas, tikriausiai, jau suprato, kad šiuolaikinis mokslas ir savo išvadomis, ir pačia savo esme, paremta tuo, kad pasitikėti galima tik patikrintomis ir galiojančiomis plačiausiam reiškinių ratui teorijomis, rimtai konfliktuoja su tiesomis, kuriomis kartais primityviai agituojama tikėti be jokių išlygų, kokios keistos jos bebūtų. Mokslinei teorijai, kuri turi minėtus griežtus, pagrįstus ir protingus savo gerumo kriterijus, tokių tiesų egzistavimas jokios įtakos turėti negali. Tas pats galioja ir sąžiningiems mokslininkams. Būrėjų ir astrologų pranašystės, ekstrasensų poveikiai nestabilios psichikos žmonėms, religijos mitai ir dogmos jokiu būdu netenkina išvardintų mokslinės teorijos kriterijų.

Taigi, reziumuojant galima pasakyti, kad sąžiningai traktuojami šiuolaikiniai gamtos mokslų rezultatai rodo, kad „Visata yra be ribų erdvėje, be pradžios ir pabaigos laike ir be kokių nors galimų darbų

Kūrėjui” (iš Carl Sagan pratarmės S.Hawking knygai „A brief history of time”). Nors verta prisiminti ir Alfonsą X Išmintingąjį (1221 – 1284) –

Kastilijos ir Leono (dabar Ispanija) karalių, poetų ir astronomų globėją, kuris yra pasakęs, kad „jei jo prakilnybė viešpats dievas prieš kūrimą būtų su manimi pasikonsultavęs, aš būčiau pataręs jam padaryti ką nors paprastesnio”.

Klausimai

1. Kiek žvaigždžių plika akimi galima apytikriai suskaičiuoti danguje giedrą naktį?

2. Koks Visatos amžius?

3. Žiūrėdami naktį į giedrą dangų matome vieną iš …

mūsų galaktikos žvaigždžių?

4. Išvardinkite keletą astronomijos mokslo tyrimo sričių

5. Kodėl žvaigždžių sfera negalėtų suktis apie Žemę?

6. Kokie yra pagrindiniai mokslinio tyrimo metodo etapai?

7. Kokios planetos matomos plika akimi?

8. Pateikite keletą pseudomokslų pavyzdžių.

2. Arčiausieji Visatos objektai – Žemė, Saulė ir Mėnulis

Taigi, Žemė yra apvali ir pati sukasi apie savo ašį, nes žvaigždės yra per toli, kad galėtų taip greitai ir visos vienu metu kas parą apie mus apsisukti.

Pav. 2.1. Žemė iš kosmoso (NASA).

Kur nukreipta jos sukimosi ašis, žinoma labai seniai. Ji eina per abu Žemės polius, ir šiaurinis galas visiškai atsitiktinai šiuo metu „remiasi”

danguje į Šiaurinę žvaigždę. Jeigu, nukreipę į tą Šiaurinę žvaigždę paliktume visai nakčiai įjungtą fotoaparatą, išryškinę juostelę pamatytume, kad visos žvaigždutės pasisuka per naktį apie ją ratu. Laikui bėgant tas ašies “rėmimosi” taškas, nors ir lėtai, bet kinta.

Pav. 2.2. Pietų poliaus nuotrauka po 10.5 valandų ekspozicijos.

Įvertinkime pirmiausia, kokiu greičiu sukasi Žemės paviršiaus taškai ir įsitikinkime, kokia išcentrinė jėga dėl to atsiranda. Greičiausiai Žemė juda pusiaujyje, todėl suradę tų taškų judėjimo greitį, galėsime būti tikri, kad radome jo didžiausią vertę, nes poliuose esantys taškai nesisuka, o tolstant nuo poliaus greitis tolydžio didėja. Pilnas Žemės apskritimo ilgis pusiaujuje sudaro apie 40 000 kilometrų, ir toks atstumas nuskriejamas per parą, tai yra per 24 valandas. Padalinę gauname, kad greitis yra kiek didesnis negu 1662 km per valandą. Lietuva yra maždaug 55

laipsnių platumoje, todėl šioje vietoje paviršiaus taškų sukimosi greitis kiek mažesnis nei pusiaujuje. Jis gaunamas pateiktą padauginus iš šio kampo kosinuso. Gaunasi maždaug 953 kilometrai per valandą. Šiuolaikiniai laineriai skraido panašiais greičiais, todėl galima įsivaizduoti, kad mūsų platumoje skrendantis lėktuvas galėtų viename taške pakilti, o kitame nusileisti tuo pačiu vietos laiku.

Išcentrinė jėga, kylanti dėl to sukimosi, lygi greičio kvadratui, padalintam iš to taško atstumo nuo Žemės sukimosi ašies. Pusiaujuje ji gaunasi lygi 3,36 cm/s2, tuo tarpu laisvojo kritimo pagreitis (980 cm/s2) yra maždaug 300 kartų didesnis.

Dėl šios priežasties netgi pusiaujuje esantį kūną prie Žemės traukianti jėga yra beveik tris šimtus kartų didesnė už išcentrinę jėgą, kuri bando tą kūną pakelti nuo Žemės paviršiaus. Aišku, kad tas sukimasis yra per lėtas, kad jo sukelta jėga galėtų kaip nors pastebimiau pasireikšti kasdieniniame gyvenime.

Kadangi Saulė teka iš rytų, nesunku susigaudyti, kad Žemė sukasi iš vakarų į rytus, arba žiūrint iš Šiaurės poliaus – prieš laikrodžio rodyklę.

Be judėjimo apie savo ašį Žemė dar juda orbita apie Saulę, apsukdama pilną ratą tarp dviejų tapatingų orientacijų Saulės atžvilgiu per metų laikų kitimo periodą, vadinamą metais, tai yra per 365.2422 paras. Būtent dėl to, kad šis skaičius nėra lygus sveikam skaičiui ar kokiai nors jo paprastai daliai, reikalingi keliamieji metai ir kitokios kalendoriaus modifikacijos, kurias išsiaiškinsime 7 Skyriuje. Žemės orbita yra beveik apskritimas, kurio vidutinis spindulys, vadinamas astronominiu vienetu (AV), sudaro apie

150 milijonų kilometrų. Kitais žodžiais tariant, šviesa, kurios greitis lygus 300 000 kilometrų per sekundę, iš Saulės į Žemę ateina maždaug per aštuonias minutes. Šis atstumas metų bėgyje truputį kinta, kadangi Žemė, kaip ir kitos planetos, juda ne apskritimu, o elipse, kurios viename židinių yra Saulė.

Dėl šios priežasties sausio mėnesį atstumas tarp Žemės ir Saulės lygus 147, o liepos mėnesį – 152 milijonams kilometrų. Taigi, ši elipsė nuo apskritimo skiriasi nežymiai, ir todėl galima visai pagrįstai tą orbitą laikyti apskritimu, kurio spindulys lygus AV. Turint šiuos duomenis, nesunku surasti Žemės judėjimo savo orbitoje greitį, nes per metus ji nuskrieja tą apskritimą, kurio ilgis yra 2(*AV, o metai turi maždaug 32

milijonus sekundžių. Greitis gaunasi nemažas, apie 30 km/s, bet išcentrinis šio judėjimo orbita pagreitis dėl labai didelio jos spindulio yra dar mažesnis nei anksčiau skaičiuotas ir sudaro tik apie 0,6 cm/s2. Taigi, šio sukimosi sukeliamų jėgų praktiškai irgi nepastebime.

Plokštuma, kurioje guli Žemės orbita, vadinasi Ekliptikos plokštuma. Metų laikai – žiema, pavasaris, vasara ir ruduo – keičia vienas kitą tik todėl, kad Žemės pusiaujo ir Ekliptikos plokštumos nesutampa, o yra orientuotos viena kitos atžvilgiu 23.5 laipsnių kampu.

Kitais žodžiais tariant, Žemės sukimosi ašis yra ne statmena Ekliptikos plokštumai, o sudaro su statmeniu irgi tokį pat kampą. Šio kampo dydis judant Žemei orbita nekinta, nes to neleidžia judesio kiekio momento tvermės dėsnis. Dėl šios priežasties mūsų nuotrauka yra praktiškai tokia pati, nepriklausomai nuo to, kada fotografuota – vasarą, žiemą ar kitu metų laiku. Minėtas tvermės dėsnis, tačiau, leidžia Žemės sukimosi ašiai suktis apie statmenį Ekliptikos plokštumai, bet kadangi kiekvienas toks apsisukimas trunka maždaug 25 725

metų, šis ašies sukimasis, vadinamas precesija, praktiškai nestebimas.

Šiuolaikiniais prietaisais jį galima aptikti per keletą naktų, bet stebint neginkluota akimi tam gali prireikti šimtmečių. Tarp kitko, senovės graikai šį reiškinį yra atradę maždaug prieš du tūkstančius metų.

Pav. 2.3. Sfera, kurią danguje brėžia Žemės ašis.

Dabar priedo dar nustatyta, kad ir pati Žemės orbita sukasi apie Saulę ir netgi šiek tiek kinta jos ekscentricitetas. Vienas toks apsisukimas įvyksta per 111 270 metų, taigi yra dar sunkiau pastebimas ir išmatuojamas. Jei įsivaizduotume, kad galime pažvelgti į Saulės sistemą iš išorės, tai žiūrint iš tos pusės, į kurią nukreipta Žemės sukimosi ašis (jos šiaurės polius), pamatytume, kad Žemė, kaip ir visos kitos planetos, juda apie

Saulę kryptimi prieš laikrodžio rodyklę.

Pabandykime išsiaiškinti, kas tai yra para. Įsivaizduokite, kad esate pusiaujuje ir tam tikru momentu Saulė yra jums tiesiai virš galvos.

Apsisukus Žemei 360 laipsnių kampu apie savo ašį, tai yra kitą dieną maždaug tuo pat metu, dėl Žemės judėjimo orbita apie Saulę, ji bus jau kitoje vietoje, ir Saulė dar nebus tiesiai virš galvos. Tai įvyks tik po keturių minučių. Para, tai yra 24 valandos, pagal susitarimą lygi ne laikui, per kurį Žemė apsisuka apie savo ašį, bet laiko intervalui tarp dviejų artimiausių momentų, kai Saulė būna zenite tame pačiame Žemės taške.

Pilno Žemės apsisukimo apie savo ašį laikas lygus 23 valandoms, 56 minutėms ir 4 sekundėms. Tai vadinama žvaigždžių para, priešingai Saulės parai, lygiai 24 valandoms. Aišku, kad 24 valandos yra vidutinė Saulės paros trukmė, nes Saulės paros ilgis nėra pastovus metų bėgyje dėl to, kad pati

Žemė savo orbita juda ne visai pastoviu greičiu. Jis yra kiek mažesnis, kai ji yra toliau nuo Saulės, ir kiek didesnis priartėjus.

Visi turbūt gerai žinote, kad dienos ilgis Lietuvoje visus metus kinta, pasiekdamas didžiausią vertę birželio trečiajame dešimtadienyje (tada ji ilgesnė nei 17 valandų) ir mažiausiąją vertę – po pusės metų, tai yra gruodžio gale, kai jos ilgis neviršija 7 valandų. Keliaujant į pietus šis skirtumas vis mažėja, o į šiaurę – vis didėja. Poliariniame rate, tai yra siauroje juostoje, kurios taškai vienodai nutolę nuo poliaus, ir visų jų šiaurės platuma lygi 66.5 (tai yra 90 – 23.5) laipsnio, šis dienos ir nakties trukmių skirtumas yra toks, kad vieną parą metuose (birželio gale)

Saulė čia iš viso nenusileidžia, o vieną parą gruodžio gale – iš viso nepakyla virš horizonto. Kuo toliau į šiaurę už poliarinio rato, tuo daugiau vasarą tokių labai ilgų dienų, trunkančių visą parą, ir tuo daugiau žiemą trunkančių visą parą naktų. Galų gale, pačiame šiaurės poliuje Saulė pusę metų iš viso nenusileidžia už horizonto, o kitą pusę metų virš jo nepakyla.

Iš kitos pusės, Saulė zenite gali būti tik srityje apie pusiaują, kurio platuma ne didesnė kaip 23.5 laipsnių. Pas mus Lietuvoje tai negręsia, nes platuma, kaip minėta, lygi maždaug 55 laipsniams.

Pav. 2.4. Žemė tuomet, kai šiaurės pusrutulyje vasara ir tuomet, kai jame žiema.

Pabaigai tikslinga tarti keletą žodžių apie Žemę kaip dangaus kūną. Ji panaši į rutulį, kurio spindulys apytikriai lygus 6367 km (pusiaujyje maždaug 21 kilometru didesnis negu poliuje), o masė – 5.974*1024 kg.

Vidutinis tankis lygus 5.517 kg/dm3. Paviršiuje jis mažiausias, ir siekia iki 3 kg/dm3, o giliau didėja, pasiekdamas centre apie 13 kg/dm3

(palyginimui reikia priminti, kad vandens tankis lygus 1 kg/dm3).

Nuotraukose iš kosmoso Žemė panaši į deimantą. Ypatinga atmosferos sudėtis ir jos viršutinių sluoksnių struktūra yra labai palankios atspindėti šviesai, todėl jos albedo (šviesos atspindžio koeficientas) lygus 0.31.

Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo albedo lygus tik 0.07 ir todėl jis yra daug tamsesnis už Žemę. Žemės nuotrauka, padaryta Mėnulyje, yra tiesiog įspūdinga. Gal taip yra dar ir dėl to, kad žiūrint iš Mėnulio Žemė atrodo keturis kartus didesnė už Saulę.

Pav. 2.5. Žemė ir Saulė, matomos iš Mėnulio.

Deja, Žemė yra labai trapus dangaus kūnas, jos paviršinis kietas sluoksnis (pluta) yra tik 5-10 kilometrų storio po okeanais ir 30-50 kilometrų – po žemynais. Giliau esanti maždaug 2 900 km storio mantija yra žymiai paslankesnė, gal net ir skysta substancija. Ji pamažu pereina į šerdį, kurios spindulys sudaro apie 3 450 km. Vidinėje srityje (branduolyje)

šerdis yra sudaryta iš didelio tankio kietos medžiagos, kurioje daug metalo. Dėl esančių Žemės viduje radioaktyviųjų elementų temperatūra einant gilyn į Žemę greitai kyla, prie paviršiaus kas kilometras padidėdama maždaug 25 laipsniais. Žemės centre ji gal net siekia 6-7 tūkstančius

Kelvino laipsnių.

Žemės paviršinis sluoksnis yra sudarytas iš dalių, judančių viena kitos atžvilgiu. Tas judėjimas sukelia Žemės drebėjimus ir ugnikalnių išsiveržimus, o susidūrimų metu yra susiformavę kalnynai. Dėl šių procesų

Atlanto vandenyno centre besiveržianti magma formuoja kalnagūbrį, kurio šiaurinis galas jau yra išlindęs virš vandens. Tai – Islandija.

Pav. 2.6. Atlanto vidurio kalnagūbris.

1989 metų Kalifornijos žemės drebėjimas buvo sukeltas įtempimų, susikaupusių po 1906 metų drebėjimo. Per paskutiniuosius prieš drebėjimą šešerius metus Ramiojo vandenyno ir Šiaurės Amerikos plokštės, kurios nuolatos juda viena kitos atžvilgiu maždaug 2 cm per metus greičiu, buvo galutinai susikabinę. Susikaupęs per tą laiką 12 cm poslinkio deficitas drebėjimo metu privertė tas plokštes pasislinkti viena kitos atžvilgiu apie pusę metro.

Žemės paviršių dengia dujų sluoksnis – atmosfera, kurios tankis tolydžio mažėja, todėl storis, kuriame jis yra pakankamai didelis, sudaro taip pat tik kelias dešimtis kilometrų. Būtent atmosferos buvimas yra viena būtinų mūsų egzistavimo sąlygų ir to komforto, kuriame gyvename, priežastis. Jei jos nebūtų arba ji būtų nepakankamai tanki, sąlygos Žemėje pastebimai suprastėtų.

Pirmiausia, niekas nesaugotų nuo nuolatinio meteoritų lietaus, antra – žymiai padidėtų dienos ir nakties temperatūrų skirtumas ir galėtų būti netgi pažeistas vandens apykaitos ciklas (įsivaizduokite, kas būtų, jei kiekvieną naktį užšaltų visi vandens telkiniai, o kiekvieną dieną užvirtų). Atmosfera, sugerdama Saulės spinduliuotę, įkaista. Priklausomai nuo įvairių elementų ir junginių, skirtingai pasiskirsčiusių įvairiuose atmosferos sluoksniuose ir sugeriančių skirtingų bangų ilgių spindulius, jos temperatūra yra labai įvairi. Svarbus Žemės skydas nuo pražūtingo

Saulės vėjo poveikio yra jos magnetosfera, sąlygojama gana stipraus vidinio magnetinio lauko buvimo.

Pav. 2.7. Temperatūros pasiskirstymas atmosferoje.

Pav. 2.8. Žemės magnetosfera.

Centrinis sistemos kūnas – Saulė, apie kurią sukasi visos planetos, yra normali, niekuo neišsiskirianti žvaigždė. Stebima daug šimtus kartų didesnių ir milijonus kartų šviesesnių žvaigždžių. Apie Saulę ir kitas žvaigždes mes dar kalbėsime smulkiau, todėl dabar aptarkime tik svarbiausias jos savybes.

Jos diametras lygus 108.97 Žemės diametrų, o vidutinis tankis sudaro tik 1.409 kg/dm3, tai yra beveik keturis kartus mažesnis už Žemės tankį. Vis tik Saulės masė 332 830 kartų didesnė už Žemės masę. Ji sudaro 99.85 procentus visos Saulės sistemos, tai yra Saulės, devynių didžiausių planetų, kometų, asteroidų, meteoritų ir tarpplanetinės erdvės, masės.

Trumpai tariant Saulė yra sudaryta iš nedidelės šerdies, kurioje vyksta branduolinės reakcijos ir gaminama energija, ir supančio ją šviečiančių dujų debesies, kurio paviršių mes ir matome. Būtent tas lengvas dujų debesis taip stipriai ir įtakoja vidutinio Saulės tankio dydį, labai jį sumažindamas netgi palyginus su Žemės tankiu.

Temperatūra Saulės centre yra apie 16 milijonų laipsnių, o tankis – apie 160 kg/dm3, gi paviršiuje siekia tik apie 6 tūkstančius laipsnių. Nustatyta, kad Saulė irgi sukasi apie savo ašį, tačiau jos apsisukimo periodai yra skirtingi įvairiose vietose – centras apsisuka per 27 Žemės paras, pusiaujas – per 25.7, o polių aplinka – per 33 paras. Saulės pusiaujo plokštuma irgi nesutampa su

Ekliptikos plokštuma, bet yra pakrypusi į ją 7.25 laipsnio kampu. Žiūrint iš Žemės šiaurės poliaus pusės, Saulė, kaip ir Žemė, sukasi kryptimi prieš laikrodžio rodyklę.

Pav. 2.9. Saulės panorama.

Antrasis svarbiausias mūsų kaimynas yra Mėnulis. Jo paviršius, kaip ir

Žemės, yra kietas. Matomos ir plika akimi tamsesnės jo paviršiaus sritys dar nuo Renesanso laikų vadinamos jūromis, nes buvo manoma, kad jos užpildytos vandeniu. Žvilgterėjus kad ir per primityvų teleskopą, lengva pastebėti Mėnulio paviršiuje apvalias įdubas. Buvo manoma, kad tai yra

Mėnulio vulkanų krateriai, tačiau pasigilinus nustatyta, kad Mėnulis yra visai atvėsęs ir nerodo jokio vulkaninio aktyvumo, ir jie yra atsiradę susidūrus su įvairiais atsitrenkusiais į paviršių kūnais. Mėnulio diametras, lygus 3476 km, sudaro maždaug ketvirtį (tiksliau – 0.273) Žemės diametro, o masė – 0.0123 (apytikriai 1/81) Žemės masės. Tankis irgi mažesnis nei Žemės ir lygus 3.34 kg/dm3. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo paviršiaus temperatūra dieną lygi maždaug plius 130 Celsijaus skalės laipsnių, o naktimis nukrenta iki minus 170 laipsnių. Mėnulis apskrieja

Žemę per 27.32 Žemės paros (tai yra Mėnulio “metai”), o jo apsisukimo apie savo ašį laikas (Mėnulio diena) irgi tiksliai lygus 27.32 Žemės paros, todėl į Žemę nuolatos būna atkreipta ta pati jo pusė. Šį reiškinį, kuris būdingas daugeliui dangaus kūnų porų, sąlygoja potvynio bangos, kurias vienas jų sukelia antrajam.

Mėnulio keliami potvyniai stabdo Žemės sukimąsi. Lygiai taip pat Žemės sukeliamos Mėnulio plutos deformacijos “potvynio bangos”, nuolatos sklidusios jo paviršiumi, jau prieš daugelį amžių sustabdė Mėnulio sukimąsi, nes Žemės poveikis Mėnuliui yra žymiai didesnis už Mėnulio poveikį Žemei. Taigi, ilgainiui Mėnulio “potvynio banga” pradėjo nebesklisti jo paviršiumi, nes paprasčiau tapo jam Žemės link vis pasisukti savo masyvesniąja puse.

Pav. 2.10. Mėnulis.

Vidutinis Mėnulio orbitos spindulys lygus 384 401 km (arba maždaug 60.4

Žemės spindulio; tokį atstumą nuo pagaminimo iki rimto remonto nuvažiuoja miesto autobusas); Mėnulio atstumas nuo Žemės nėra pastovus, o kiekvieno apsisukimo metu pakinta nuo mažiausios vertės, lygios 363 297 km iki didžiausios, lygios 405 505 km. Mėnulio orbitos plokštuma orientuota originaliai ir nesutampa nė su viena išvardintų. Ji yra pakreipta 5

laipsnių kampu į Ekliptikos plokštumą. Dėl šios priežasties palyginti retai pasitaiko Mėnulio ir dar rečiau – Saulės užtemimai. Jie gali įvykti tiktai tada, kai Saulė, Žemė ir Mėnulis išsirikiuoja beveik vienoje tiesėje ir

Mėnulis patenka į Žemės šešėlį (Mėnulio užtemimas) arba Mėnulio šešėlis krenta į Žemę (Saulės užtemimas). Deja, netgi tokiu atveju užtemimai ne visada įvyksta, nes tuomet, kai Mėnulis būna maksimaliai nutolęs nuo Žemės, jo šešėlio intensyvioji dalis (umbra) Žemės nepasiekia. Saulės užtemimo metu Mėnulio šešėlis dengia tik dalį Žemės paviršiaus ir gana greitai juda.

Pav. 2.11. 2003.05.15-16 dienomis vykusio Mėnulio užtemimo matomumo Žemėje žemėlapis (NASA).

Pav. 2.12. Vaizdas, kuris Mėnulio užtemimo metu matosi iš paties Mėnulio

(NASA).

Mėnulio judėjimo orbitoje kryptis vėlgi yra tokia pati, kaip Saulės planetų ir Žemės, tai yra stebint iš Žemės šiaurės poliaus – prieš laikrodžio rodyklę. Mėnulis ne tik juda orbita apie Žemę, bet tuo pat metu kartu su

Žeme skrieja apie Saulę. Dėl šios priežasties Mėnuliui apskriejus Žemę, tai yra kai po 27 parų, 7 valandų ir 43 minučių jis atsiduria toje pačioje vietoje žvaigždžių atžvilgiu (tai ir vadinama žvaigždiniu periodu), Saulės atžvilgiu jis dar nebūna orientuotas taip pat kaip pradiniu momentu. Tai įvyksta tik po dviejų parų. Šis didesnysis periodas, lygus 29 paroms, 12

valandų ir 44 minutėms būtent ir yra vadinamas Mėnulio mėnesiu. Tokiu dažniu kartojasi Mėnulio fazės – pilnatis (kai jis yra priešingoje pusėje negu Saulė), delčia, jaunas (kai jis atsiduria toje pačioje pusėje kaip

Saulė) ir priešpilnis.

Pav. 2.13. Mėnulio fazės.

Kaip žinote, Mėnulis sukelia Žemėje reguliariai besikartojančius potvynius ir atoslūgius. Kitas galimos Mėnulio įtakos gyvenimui Žemėje pasireiškimas yra susijęs su įvairiais prietarais apie jo fazių reikšmę. Tai, kad Mėnulio fazės negali turėti įtakos kokiai nors tešlai, autobusų kursavimo tvarkaraščiui arba egzaminų rezultatams, matyt tikite kiekvienas, tačiau yra ir kitokių, ne taip akivaizdžiai kvailų prognozių. Pavyzdžiui, laikraščiuose kiekvieną pavasarį spausdinamas agronomų sudarytas sėjos kalendorius, kuriame rekomenduojama sėjant ar sodinant atsižvelgti į

Mėnulio fazes. Pabandykime išsiaiškinti, ar tai gali turėti kokią nors įtaką augalams, ar tokios rekomendacijos analogiškos astrologų panašystėms.

Pradėkime nuo potvynių, nes jie ir yra raktas minėtiems atsakymams rasti.

|Žemė |1 |

|Saulė |8.6*10-4 |

|Mėnulis |3.4*10-6 |

|Venera |1.9*10-8 |

|Jupiteris |3.3*10-8 |

|Artimiausia žvaigždė |1.4*10-14 |

|Paukščių Takas |2.1*10-11 |

|Artimoji galaktikų grupė |10-15 |

2.1 Lentelė. Santykiai jėgų, kuriomis stovintį ant Žemės žmogų veikia įvairūs dangaus kūnai.

Kaip matome iš 1 Lentelės, Saulė veikia ant Žemės esantį kūną beveik 250

kartų didesne jėga, negu Mėnulis. Panašiai kaip ir Mėnulis, žiūrint iš

Žemės, ji kiekvieną parą apsisuka aplink Žemę, tačiau niekas nesako, kad ji gali sukelti tokius potvynius, kaip Mėnulis.

Problemos sprendimo raktas yra tas, kad visuotinės traukos dėsnyje sąveika tarp dviejų masių proporcinga toms masėms ir atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Kas yra tas atstumas, pasakyti, jei gerai pagalvosime, ne taip jau ir paprasta. Įsivaizduokite šalia viena kitos padėtas dvi liniuotes. Nuo kurių taškų matuoti atstumą tarp jų? Jį galima apibrėžti labai plačiose ribose.

Rekomenduotas mokykloje tokiu atveju atstumas tarp masių centrų paprasčiausiai duoda klaidingą rezultatą. Norint gauti teisingą atsakymą, reikia susumuoti sąveikas tarp visų vienos ir kitos liniuotės molekulių.

Tik tuo atveju, jei vietoje liniuočių nagrinėtume dviejų taisyklingų rutulių sąveiką, susumavę visas šias sąveikas gautume tokį pat rezultatą, kaip imdami atstumą tarp jų masių centrų ir leisdami, kad kiekvienos sferos masė sukoncentruota šiame viename taške, tai yra mokyklinę Visuotinio traukos dėsnio formulę. Būtent skaičiuodamas šią sumą I.

Niutonas ir sukūrė šiuolaikinės aukštosios matematikos pagrindus. Bendru atveju sąveikoja kiekviena Žemės molekulė su kiekviena Mėnulio molekule. Pažvelkime dabar atidžiau į Žemę. Tos jos paviršiaus dalys, kurios yra atkreiptos į Mėnulį, yra traukiamos žymiai stipriau negu esančios, žiūrint iš Mėnulio, Žemės kraštuose arba priešingoje jos pusėje.

Tai ir sąlygoja vandens tekėjimą iš pakraščių į abi puses – ir į tą, kuri atkreipta į Mėnulį, ir į priešingą. Dėl šios priežasties potvyniai toje pačioje vietoje kartojasi ne kas 24, o maždaug kas 12 valandų.

Visiškai tiksliai šnekant, dėl santykinio Žemės ir Mėnulio judėjimo potvyniai kasdien dar apie 50 min vėluoja, todėl toje pačioje vietoje vyksta įvairiu paros metu. Ežere arba nedidelėje jūroje, tokioje kaip Baltijos jūra, didelių potvynių nebūna todėl kad jėgų, kuriomis

Mėnulis veikia vieną arba kitą jo (jos) pakraštį, skirtumas yra labai mažas. Saulė tokių didelių potvynių nesukelia dėl tos pačios priežasties –

ji yra labai toli nuo Žemės, palyginus su Mėnuliu, ir todėl jėgų, veikiančių dienos ir nakties puses, skirtumas yra maždaug du kartus mažesnis. Reikia pažymėti, kad minėtos potvynio jėgos sukelia ne tik vandens masių, kas lengviausiai pastebima, bet ir atmosferos, o taip pat ir

Žemės paviršiaus deformacijas, siekiančias kelias dešimtis centimetrų.

Potvyniai lėtina Žemės sukimąsi, todėl para nuolatos kiek ilgėja (maždaug pusantros sekundės per šimtą tūkstančių metų). Dėl to paties judesio kiekio tvermės dėsnio, siekdamas kompensuoti šį momento nuostolį, Mėnulis tolsta nuo Žemės kokių 3 – 4 centimetrų per metus greičiu. Paprasti skaičiavimai rodo, kad netgi Žemei visai nustojus suktis, jis vis tik liktų jos palydovu.

Visų trijų kūnų – Saulės, Žemės ir Mėnulio – sąveika gali sukelti papildomus efektus, sustiprinančius šiuos potvynius, kai jie išsidėstę vienoje tiesėje, tai yra kai Mėnulis yra pilnaties arba jauno fazėje, ir silpninančius juos Mėnuliui esant delčios ir priešpilnio fazėse. Toks poveikis gali palengvinti daigų prasikalimą, todėl sėjos kalendoriai su astrologija ryšio neturi ir yra žymiai rimtesni, verti pasitikėjimo dokumentai.

Beveik visos šių trijų kūnų ir jų orbitų savybės daugiau ar mažiau tiksliai yra žinomos jau labai seniai, daugiau nei du tūkstančius metų.

Klausimai

1. Kokiu greičiu juda Žemės paviršiaus taškai pusiaujuje dėl nuolatinio jos sukimosi apie savo ašį?

2. Kodėl Žemėje yra metų laikai?

3. Jeigu fotoaparatą, nukreiptą į Šiaurinę žvaigždę, paliksime visai nakčiai, kokias žvaigždžių judėjimo trajektorijas pamatysime išryškintoje nuotraukoje?

4. Kuria kryptimi, žiūrint iš Šiaurės poliaus pusės, sukasi Žemė?

5. Kiek maždaug kartų Žemės traukos jėga pusiaujuje yra didesnė už išcentrinę jėgą, atsirandančią dėl Žemės sukimosi?

6. Kas tai yra astronominis vienetas?

7. Kiek laiko šviesa užtrunka sklisdama iš Saulės į Žemę?

8. Kada Žemė yra arčiausiai prie Saulės?

9. Kodėl Mėnulis visada atsisukęs į Žemę ta pačia puse?

10. Kaip keičiasi Mėnulio orbita lėtėjant Žemės sukimuisi?

11. Kiek kartų Mėnulio masė yra mažesnė už Žemės masę?

12. Temperatūra Žemės centre apytikriai lygi?

3. Saulės imperija. Grožis ir pavojai –

Planetos, asteroidai ir kometos

Saulės, Mėnulio ir Žemės judėjimą daugmaž išsiaiškinome praėjusioje paskaitoje. Žemė, deja, yra tik vienas iš devynių didžiųjų Saulės palydovų, vadinamų Saulės sistemos planetomis, o Mėnulis – vienintelis ne dirbtinis

Žemės palydovas. Taigi, kitais žodžiais tariant, Saulė turi devynis mėnulius.

Penkios pirmosios planetos yra lengvai matomos iš Žemės neginkluota akimi, būtent jų judėjimas daugelį amžių taip domino astronomus. Kai kurios Saulės planetos irgi turi palydovų (mėnulių), ir, kaip matysime, kartais netgi daugiau negu Saulė.

Apžvelkime pirmiausia pačių planetų savybes.

Pirmiausia, aišku, reikėtų apibrėžti, kas tai yra planeta. Be jau minėtų devynių, Koiperio žiede, esančiame dar toliau už Plutono orbitą, skrieja tūkstančiai mažesnių ar didesnių objektų, savo dydžiu ir savybėmis pretenduojančių vadintis tuo vardu, tačiau pagal susigulėjusias tradicijas planetomis nevadinamų. Tie objektai yra labai toli, jie matomi tik pačiais geriausiais teleskopais, todėl iš minėtos klasifikacijos iškrenta.

Priešingu atveju, tobulėjant stebėjimų technikai, tas sąrašas galėtų labai išsiplėsti. Štai 2002 metais atrasta tokia “planeta”, pavadinta indėnų dievo “Quaoar” vardu, kurios diametras tik du kartus mažesnis už Plutono, o vidutinis nuotolis nuo Saulės sudaro apie 42 AV. Kadangi netrukus, kiek patobulinus tuos stebėjimus, galima tikėtis aptikti ir daugiau panašių objektų, planetomis susitarta vadinti tik tuos devynis pačius didžiausiuosius ir arčiausiai Saulės esančius objektus, apie kuriuos čia ir šnekėsime.

Pav. 3.1. Žemės, Mėnulio, Plutono ir Quaoar dydžių palyginimas.

Bendra visoms planetoms yra tai, kad jos visos juda apie Saulę į tą pačią pusę. Kaip žinome, Žemės sukimosi ašis nukreipta į Šiaurinę žvaigždę. Kaip jau anksčiau minėta, žiūrint iš tos pusės į Saulės sistemą, visos planetos juda beveik toje pačioje (ekliptikos) plokštumoje ta pačia kryptimi – prieš laikrodžio rodyklę.

Toliau jau prasideda skirtingumai. Pagal įvairias savybes planetas galima suskirstyti į dvi grupes. Pirmąją sudaro vadinamosios žemiškosios, o antrąją – dujinės išorinės jupiteriškosios planetos. Pagrindinis šių grupių skiriamasis bruožas yra planetos tankis. Žemiškosios planetos yra tankios, turinčios kietą paviršių, Jupiteriškosios – nedidelio tankio su difuziniu paviršiniu sluoksniu. Visus duomenis galite pamatyti 3.1 Lentelėje. Tankiai ten pateikti gramais į kubinį centimetrą (tai sutampa su tonomis į kubinį metrą); priminsiu, kad vandens tankis tokioje sistemoje lygus vienetui.

Keturios žemiškosios planetos yra Žemė ir trys jos artimiausi kaimynai –

Merkurijus, Venera (vadinamos vidinės planetos, kadangi jos yra arčiau

Saulės negu Žemė) ir Marsas, kurio orbita yra toliau. Visos jos lengvai pastebimos, todėl yra žinomos jau nuo neatmenamų laikų.

Pav. 3.2. Žemiškosios planetos – Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas.

Arčiausiai Saulės esanti planeta yra Merkurijus. Romėnai ją pavadino pasiuntinuko, išnešiojančio prekes, vardu, kadangi ji „laksto” greičiau už kitas planetas. Jos apsisukimo apie Saulę periodas yra tik 88 dienos. Pagal savo dydį ji yra aštuntoji, mažesnio spindulio yra tik Plutonas. Saturnas ir Jupiteris turi palydovų (mėnulių), kurie yra didesni už Merkurijų.

Merkurijus labai panašus ir į mūsų Mėnulį – abu jie turi intensyviai subombarduotą paviršių, abu neturi atmosferos, abu geologiškai mirę jau milijardus metų, tačiau Merkurijaus tankis yra kiek didesnis, labiau artimas Žemės tankiui. Tai reiškia, kad jo šerdyje, kaip ir Žemės šerdyje, yra nemažai geležies. Šerdis sudaro apie 70 – 80 % jo spindulio, o paviršiuje yra silikatų kalnai. Atmosferos Merkurijus beveik neturi, todėl jo paviršius dieną įkaista iki 427 laipsnių, o naktį – nukrenta iki minus

173 laipsnių (vidutinė temperatūra lygi 179 Celsijaus laipsniams). Kadangi

Merkurijus visą laiką yra taip arti Saulės, tai jį galima pamatyti tik tada, kai Saulė yra ką tik pasislėpusi už horizonto, arba turi greitai patekėti. Taigi, Merkurijų pastebėti ne taip jau ir paprasta, nes jam esant arti horizonto vaizdą iškraipo storas atmosferos sluoksnis, o albedo dėl atmosferos nebuvimo yra ne ką didesnis už Mėnulio ir sudaro tik 0.1. Dėl šios priežasties gerais teleskopais stebimas jis paprastai dienos metu.

|Planet|Tanki|m |r |Para |Albed|Palyd|Orbit|Metai|R3 |

|a / |s |(Žemė|(Žemė|(Žemė|o |o-vų |os |T |/T2 |

|palydo|(g/cm|s |s |s | | |spind|(Žemė| |

|vas |3 ) |masių|spind|parų)| | |ulys |s | |

| | |) |.) | | | |R |metų)| |

| | | | | | | |(a.u.| | |

|Merkur|5.42 |0.055|0.383|58.65|0.10 |0 |0.387|0.241|0.99|

|ijus | | | | | | | | |8 |

|Venera|5.25 |0.815|0.949|-243.|0.65 |0 |0.723|0.616|0.99|

| | | | |02 | | | | |6 |

|Žemė |5.52 |1 |1 |1 |0.31 |1 |1 |1 |1 |

|(Mėnul|3.34 |0.012|0.273|27.32|0.07 | |0.002|0.074|10-6|

|is) | |3 | | | | |6 |8 | |

|Marsas|3.94 |0.11 |0.533|1.04 |0.15 |2 |1.524|1.882|0.99|

| | | | | | | | | |9 |

|Jupite|1.33 |318 |11.21|0.42 |0.52 |30 |5.203|11.86|1.00|

|ris | | | | | | | | |1 |

|Saturn|0.69 |95 |9.45 |0.42 |0.47 |18 |9.539|29.46|1.00|

|as | | | | | | | | |1 |

|Uranas|1.29 |14.54|4.01 |0.75 |0.51 |15 |19.19|84.01|1.00|

| | | | | | | | | |1 |

|Neptun|1.64 |17.14|3.88 |0.67 |0.41 |11 |30.06|164.7|1.00|

|as | | | | | | | |9 |0 |

|Pluton|2.05 |0.002|0.182|-6.39|0.3 |1 |39.53|248.5|1.00|

|as |1.83 |16 |0.1 |6.39 |0.5 | |0.000|4 |0 |

|(Charo| |0.000| | | | |1 |0.017|10-8|

|nas) | |30 | | | | | |5 | |

3.1 Lentelė. Saulės sistemos planetų bei kai kurių jų palydovų savybės.

Antroji pagal tolumą nuo Saulės planeta yra Venera. Kadangi ji artimiausia

Žemei, o jos albedo dėl storo debesų apkloto yra dar didesnis nei Žemės

(0.65), ji irgi kiek panaši į brangakmenį. Gal dėl šios priežasties, o gal dar ir dėl to, kad ji, kaip ir Merkurijus, geriausiai matoma rytais ir vakarais, kai Saulė jau arba dar pasislėpus už horizonto, Antikos astronomai ją pavadino grožio ir meilės deivės vardu. Venera iš pirmo žvilgsnio atrodo kaip tikra Žemės sesuo.

Abi jos labai panašios ir tankiais, ir matmenimis. Čia panašumas, deja, baigiasi. Per keletą pastarųjų dešimtmečių rimtai užsiėmus jos tyrimais, nustatyta, kad ji neturi okeanų, jos atmosfera labai sunki, sudaryta pagrindinai iš anglies dioksido, o debesys – iš sieros rūgšties lašų. Prie paviršiaus atmosferos slėgis yra 92 kartus didesnis už tokį slėgį prie Žemės paviršiaus.

Dėl tokios tankios atmosferos aktyviai reiškiasi šiltnamio efektas (Saulės spinduliai, pakliuvę į paviršių, yra absorbuojami ir jį šildo, o nedidelė atsispindėjusi dalis vėlgi sugeriama atmosferoje), todėl Veneros paviršiaus temperatūra yra pastovi, nepriklausanti nuo to, ar tas plotelis yra apšviestas Saulės, ar ne. Aišku, ji yra pastovi ir žymiai aukštesnė nei

Merkurijaus, lygi maždaug 482o C. Venera apsisuka apie Saulę per 225 Žemės paras, Jos para (apsisukimo apie savo ašį periodas) didesnė už metus, nes lygi 243 Žemės paroms. Venera šiek tiek išskirtinė ir ta prasme, kad apie savo ašį sukasi iš rytų į vakarus, tai yra priešingai nei dauguma kitų planetų. Storas Veneros debesų sluoksnis ilgus amžius gerai slėpė jos paviršių.

Tik 1978 NASA Pioneer ekspedicija, 1983-1984 SSRS kosminiai laivai Venera 15 ir Venera 16 bei 1990-1994 NASA Magellan radaro tyrimai pagaliau leido atskleisti ir šias jos paslaptis. Jos paviršius pasirodė palyginti jaunas geologine prasme ir ne taip senai (tik prieš 300-500

milijonų metų) susiformavęs. Kalnai, sudarantys apie 85% paviršiaus, turi vulkaninę prigimtį, o įdubos užpildytos lava. Vienas lavos „liežiuvis”

tęsiasi beveik 7000 kilometrų. Vandens paviršiuje nerasta.

Trečioji planeta yra mūsų Žemė, o ketvirtoji – Marsas. Ji dar vadinama raudonąja planeta, nes jos paviršius turi raudoną atspalvį. Senovės egiptiečiai ją vadino Her Descher, tai yra raudonąja, o romėnai dėl to paties raudonumo pavadino karo dievo vardu. Marsas yra pusantro karto toliau nuo Saulės, negu Žemė. Kadangi jo paviršiuje lengvai pastebimos beveik tiesios įdubos, jau seniai buvo manoma, kad jame egzistuoja gyvybė, o šios įdubos yra dirbtiniai irigaciniai įrenginiai – kanalai. Kita priežastis, tarsi ir paremianti gyvybės egzistavimo hipotezę, buvo reguliariai besikartojantys sezoniniai (vasaros – žiemos) planetos paviršiaus atspalvio pokyčiai, kuriuos galėtų sukelti augalija. Deja, 1965

liepą Mariner 4 persiuntė 22 Marso paviršiaus nuotraukas, padarytas iš nedidelio atstumo. Jose aiškiai matėsi daug kraterių ir natūraliai atsiradę grioviai, bet nepastebėta jokių dirbtinių kanalų arba tekančio vandens juose. 1976 liepą ir rugsėjį du Vikingo moduliai nusileido ant Marso paviršiaus. Kiekvienas jų atliko po tris biologinius eksperimentus nusileidimo vietose.

Pasirodė, kad Marso dirvožemyje vyksta labai aktyvūs procesai, bet jų prigimtis yra ne biologinė, o cheminė. Saulės ultravioletinė spinduliuotė yra prisotinusi Marso paviršių, todėl jis nuolatos sterilizuojasi ir turėtų sunaikinti gyvus organizmus, jei tokie netgi ir būtų. Neatmesta hipotezė, kad tolimoje praeityje kokia nors gyvybės forma Marse galėjo egzistuoti. Kruopščiai ištyrus Marso atmosferą, pasirodė, kad ji sudaryta beveik vien iš anglies dioksido (95.32 %).

Vandens Marso atmosferoje yra tūkstantį kartų mažiau, negu Žemės atmosferoje. Skysti debesys pastebėti tik labai dideliame aukštyje, rūkas kartais stebimas tik daubose, o žiemą vietomis atsiranda nedidelis šerkšno sluoksnis. Gali būti, kad praeityje Marse buvo daugiau vandens, ir jo paviršiuje stebimi sraunių upių palikti pėdsakai. Didžiausia registruota paviršiaus temperatūra yra 20o C, mažiausia -140o C, o vidutinė yra -63o C.

Barometrinis slėgis Marse yra labai mažas – iki 10 milibarų (Žemėje vidutinis slėgis lygus 1000 milibarų). Anglies dioksidas užšalęs sudaro poliarines „kepures” kiekvieno poliaus žiemos metu, po to ištirpsta ir išgaruoja atėjus pavasariui. NASA erdvėlaivis “Mars Global Surveyor”, nuo

1999 metų vykdantis detalų Marso paviršiaus tyrimą, yra atsiuntęs daug kokybiškų nuotraukų, kurias galima surasti Internete NASA svetainėje adresu http://www.nasa.gov/. NASA puslapyje rasite taip pat dar daug kitokios įdomios ir labai kokybiškos medžiagos apie Kosmosą.

Sekančios keturios planetos – nuo penktosios iki aštuntosios – sudaro jupiteriškųjų dujinių milžinių grupę. Jų tankai keletą kartų mažesni už žemiškųjų planetų tankius, o matmenys labai didelės.

Pav. 3.3. Jupiteriškosios planetos – Jupiteris, Saturnas, Uranas ir

Neptunas.

Penktoji planeta – Jupiteris – yra pati didžiausia Saulės sistemoje. Jos viduje tilptų daugiau kaip tūkstantis Žemių, o jos masė yra tris kartus didesnė už visų kitų planetų masių sumą. Jupiteris turi apie 30 mėnulių, kurių keturis (Io, Europą, Ganimedą ir Kalisto) Galilėjus pastebėjo dar

1610 metais. Egzistuoja ir žiedų sistema, tačiau šie žiedai sudaryti iš labai smulkių dalelių, kurių diametras ne didesnis už 10 mikronų (panašiai kaip cigaretės dūmų dalelių), todėl iš Žemės yra nematomi jokiais prietaisais. Juos 1979 metais aptiko Voyager 1. Išorinis žiedų sistemos kraštas siekia 129 000 km, o vidinis – 30 000 km nuo planetos centro.

Manoma, kad šie žiedai susiformavo mikrometeoritams bombarduojant Jupiterio mėnulius, kurių orbitos yra žiedų viduje. Jupiterio atmosfera labai tanki, gali būti, kad visa planeta yra savotiškas šios atmosferos tęsinys. Tuo

Jupiteris panašus tam tikra prasme į Saulę. Pabandykime išsiaiškinti šį teiginį. Paviršinis Jupiterio sluoksnis sudarytas iš vandenilio ir helio atomų su labai nedidele metano, amoniako, vandens garų ir kai kurių kitų junginių priemaiša. Einant gilyn tankis taip padidėja, kad elektronai praranda ryšį su savo protonais ir vandenilis tampa metalu. Gali būti, kad būtent iš jo ir sudaryti Jupiterio vidiniai sluoksniai. Jupiterio atmosferoje stebimi sūkuriai, analogiški mūsų ciklonams ir anticiklonams, nuolatos judantys viena ar kita kryptimi.

Šeštoji planeta yra Saturnas. Savo dydžiu ji yra antroji po Jupiterio, o jos masė beveik tris kartus didesnė už visų kitų planetų (išskyrus

Jupiterį) masių sumą. Aiškiai matosi, kad Saturnas yra susiplojęs poliuose, nes yra vienintelė planeta, kurios tankis yra mažesnis už vandens tankį ir priedo dar labai greitai sukasi. Jo para trunka tik 10 valandų ir 39

minutes, tuo tarpu kai metai lygūs 29.5 Žemės metams. Saturno žiedų sistema puikiai matoma ir tai daro jį vienu gražiausių dangaus kūnų. Išskiriami septyni svarbiausieji žiedai, kai kurie jų sudaryti iš mažesnių žiedelių, praktiškai susiliejančių į vieną visumą. Žiedai žymimi didžiosiomis raidėmis pradedant A ir baigiant G. Per teleskopą matomi tik ryškūs A ir B

žiedai ir blankus C žiedas. Pirmuosius du pastebėjo Galilėjus 1610 metais.

C žiedas atrastas 1848, F – 1979, D ir G – 1980, o E – 1981 metais. Panašu, kad žiedai sudaryti iš ledo ir sniego gabalų, kurių matmenys yra nuo keletos centimetrų iki keletos metrų. Pagal nuotolį nuo Saturno žiedai išsidėstę taip: pirmasis yra D žiedas (vidutinis atstumas nuo Saturno centro lygus 67 tūkst. km, plotis – 7 500 km), toliau – C žiedas (atstumas

– 74 500 km, plotis – 17 500 km), dar toliau – B (92 000 km ir 25 500 km),

A (122 200 km ir 14 600 km) ir taip toliau. Paskutiniojo, E žiedo, kraštas siekia iki 300 000 km. Pagrindinių žiedų storiai ne didesni už 1 km, taigi iš tiesų tai yra unikalios ir labai gražios struktūros. Saturnas taip pat turi daugiausia tarp visų Saulės sistemos planetų mėnulių.

Jų yra net 18, turinčių pavadinimus ir ištyrinėtų, o taip pat dar keturi objektai, pretenduojantys jais tapti, užfiksuoti Hablo kosminiu teleskopu. Saturno atmosfera sudaryta iš vandenilio atomų su nedidele helio ir metano priemaiša, todėl jo spalva yra gelsva. Atmosferoje siaučia didžiuliai vėjai, kurių greitis siekia 500 m/s. Kaip ir Jupiteris, Saturnas neturi kieto paviršiaus.

Atmosferai tolydžio tankėjant, ji ilgainiui virsta metalinio vandenilio branduoliu, apsuptu silikatų ir metano, amoniako ir vandens ledų sluoksniu. Centre temperatūra siekia 20 000 K, o tankis – 13.5

g/cm3. Saturnas išspinduliuoja šilumos 2.5 karto daugiau, negu gauna iš

Saulės, o tai reiškia, kad jis, kaip ir kai kurios kitos planetos, turi kažkokių vidinių energijos šaltinių.

Būtent Saturnu ir baigiasi šešių arčiausiai Saulės esančių planetų sąrašas.

Viena jų – Žemė – yra mūsų planeta, o kitos penkios – lengvai iš jos matomos, todėl yra vienos gražiausių ir įdomiausių dangaus šviesulių.

Septintoji planeta – Uranas – yra taip pat dujų gigantas. Savo dydžiu ji yra trečioji Saulės sistemoje. Uraną ir du jo mėnulius atrado ir ištyrė

William Herschel 1781 – 87 metais. Urano atmosfera sudaryta iš vandenilio

(83 %), helio (15 %), o taip pat nedidelių metano, acetileno ir įvairių hidrokarbonatų priemaišų. Viršutinių sluoksnių metanas absorbuoja raudonos spalvos spindulius, todėl Uranas yra melsvai žalios spalvos. Uranas unikalus ta prasme, kad jo sukimosi ašis guli beveik orbitos plokštumoje, tai yra jis tarsi rieda orbita. Urano branduolys panašus kaip ir kitų gigantų. Sukasi irgi gana greitai – para yra 17 valandų ir 14 minučių ilgio. Stebėta ne mažiau kaip 15 jo mėnulių. 1977 metais ištirti pirmi devyni jo žiedai: jų gali būti ir daugiau.

Paskutinysis, esantis toliausiai nuo Saulės, gigantas yra Neptunas. Jį 1846

metais atrado J. G. Galle maždaug 1o nuotolyje nuo tos vietos, kurioje jį esant prognozavo U. Le Verrier, paskaičiavęs jo orbitą pagal Urano orbitos trikdymų rezultatus. Daugeliu savybių Neptunas panašus į kitus dujų gigantus, o ypač – į Uraną. Jis turi aštuonis mėnulius ir keturių žiedų sistemą.

Paskutinioji, devintoji, sistemos planeta Plutonas yra ir pati mažiausioji.

Ji atrasta 1930 metų vasario 18, kadangi ją galima pastebėti tik per gerą teleskopą. Skirtingai nuo kitų planetų, jos orbita yra labai ištęsta ir todėl kartais ji priartėja arčiau Saulės negu Neptunas. Tokioje padėtyje ji praleidžia apie 20 metų iš beveik 249 metų, reikalingų apsisukti apie

Saulę. Šią kelionės dalį ji kaip tik ir baigė 1999 metais ir dabar pamažu tolsta nuo Saulės. Plutonas išsiskiria dar ir tuo, kad jo orbitos plokštuma orientuota 17o kampu į Ekliptikos plokštumą, tuo tarpu kai visų kitų planetų orbitų plokštumos beveik sutampa su ja. Plutono paviršių dengia kelių kilometrų storio metano ledas, o atmosferą sudaro šiek tiek to paties metano garų. Plutonas turi vieną mėnulį, vadinamą Charon pagal graikų mitų veikėją valtininką, gabendavusį mirusiųjų sielas i Hadą – mirusiųjų pasaulį, kurio dievas buvo vadinamas Plutonu. Paskutinei planetai su savo palydovu tai labai vykę pavadinimai. Kaip ir Mėnulis į Žemę, Charon į

Plutoną nuolatos atsisukęs ta pačia puse. Apie Plutoną žinoma ne tiek jau daug, tačiau planuojama kuo greičiau surengti ekspediciją, kad galima būtų ištirti Plutoną dar prieš užšalant jo atmosferai, nes šiuo metu jis, kaip minėta, vis tolsta nuo Saulės ir tolydžio vėsta.

Be išvardintų didžiųjų planetų orbitomis apie Saulę juda dar labai daug visokių kitokių kūnų. Be Koiperio žiedo objektų, tokių kaip jau minėtasis

Quaoar, yra dar ir vadinamieji asteroidai arba mažosios planetos. Tai –

paprasčiausi metalo arba akmens gabalai. Didžiausias jų yra Cerera; jos diametras siekia 1000 km. Žinoma dar bent šešiolika asteroidų, kurių diametrai didesni negu 240 km. Dauguma jų skrieja erdvėje tarp Marso ir

Jupiterio, tačiau keletos jų orbitos kerta Žemės orbitą. Jei visus žinomus asteroidus būtų galima surinkti į vieną vietą, tai susidarytų rutulys, kurio diametras būtų porą kartų mažesnis už Mėnulio diametrą. Manoma, kad jie susidarė arba formuojantis Saulės sistemai, arba sudužus planetai susidūrimo su kokiu kitokiu kūnu metu. Yra požymių, kad tolimoje praeityje ne vienas asteroidas yra susidūręs ir su Žeme. Jei dabar įvyktų kas nors panašaus, tai galėtų sunaikinti visą gyvybę. Yra užfiksuoti gana pavojingi asteroidų praskriejimai. Ikaras 1968 metais buvo priartėjęs prie Saulės per

0.19 astronominių vienetų, o po to praskrido 16 milijonų kilometrų atstumu nuo Merkurijaus. Erosas 1931 metais buvo priartėjęs prie Saulės 23 milijonų kilometrų atstumu. Būtent šiuo atveju galėtų praversti branduolinis ginklas; pastebėjus atlekiantį tokį „daiktelį” galima būtų jį sunaikinti arba bent pakeisti jo orbitą dar prieš susidūrimą.

Pav. 3.4. Asteroidų palyginimas su Mėnuliu.

Mažų matmenų kietieji kūnai, kurių orbitos kerta Žemės orbitą ir gali su ja susidurti, vadinami meteoroidais. Meteoroidui įlėkus į Žemės atmosferą dėl trinties jis dažniausiai išsilydo ar sudega; nukritę ant Žemės liekanos vadinamos meteoritais. 92.8 % jų yra akmeninių, 5.7 % – metalinių, o kiti sudaryti iš įvairių mineralų.

Galileo kosminis laivas neseniai praskriejo visai arti nuo artimiausių didelių asteroidų Gaspra (1991) ir Ida (1993) ir atsiuntė puikias jų nuotraukas. Specialus NASA palydovas prieš kurį laiką netgi buvo paleistas į vieną asteroidų – Erosą, ir kurį laiką apie jį sukdamasis sukaupė daug vertingos informacijos.

Erosas pasirodė beesąs netaisyklingos formos kas 5.3 valandos besivartantis 7 km storio, 19 km pločio ir 30 km ilgio akmuo. Meteorų įskridimai į atmosferą, ypač kai Žemė kerta kokią nors sritį, kurioje jų koncentracija nemaža, irgi yra gana spalvingas reginys, nuo senovės vadinamas krentančių žvaigždžių lietumi.

Pav. 3.5. Meteoroidas, meteoras ir meteoritas.

Pav. 3.6. Krateris Arizonoje.

Kita grupė bene pačių gražiausių Saulės palydovų yra kometos. Tai trapūs nedideli netaisyklingos formos kūnai, sudaryti iš atšaldytų dujų, dulkių, ledo ir kitokių Saulės sistemos gamybos atliekų. Kometą sudaro branduolys, vadinamoji koma, ir jos difuzinė aplinka. Šio branduolio spindulys ne didesnis kaip 10 km. Kometų orbitos labai ištęstos; viename gale jos labai priartėja prie Saulės, o kitame gali siekti toliau Plutono orbitos. Joms artėjant prie Saulės, koma įšyla, padidėja ir išsivysto ilga uodega, sudaryta iš smulkių dulkių dalelių ir nutįsusi milijonus kilometrų.

Pav. 3.7. Kometų uodegos.

Baigiant Saulės šeimos narių apžvalgą galima pateikti tokį jos portretą.

Jei Žemę įsivaizduotume esant tokio dydžio kaip krepšinio kamuolį (diametras apie 40 centimetrų), tai Mėnulis apie ją skrietų 12 metrų atstume, o Saulės diametras būtų lygus maždaug 44 metrams (joje laisvai tilptų Žemė su skriejančiu apie ją Mėnuliu). Žemės orbitos spindulys, tai yra atstumas nuo Saulės, būtų lygus 5 kilometrams, o atstumas nuo Saulės iki tolimiausios planetos – Plutono būtų lygus maždaug 200 kilometrų, taigi ši Saulės sistemos dalis savo matmenimis kiek primena Lietuvą.

Klausimai

1. Kas tai yra Ekliptikos plokštuma?

2. Kurios planetos orbitos plokštuma nesutampa su Ekliptikos plokštuma?

3. Išvardinkite keturias žemiškąsias planetas.

4. Kurios planetos dienos ir nakties temperatūrų skirtumas yra pats didžiausias?

5. Kurios planetos dienos ir nakties temperatūrų skirtumas yra pats mažiausias?

6. Išvardinkite keturias planetas – dujų gigantus.

7. Kokia didžiausia Saulės sistemos planeta?

8. Kokia mažiausia Saulės sistemos planeta?

9. Kuri planeta turi daugiausia mėnulių?

10. Kokios Saulės sistemos planetos yra mėlynos spalvos?

11. Kuo skiriasi meteoroidai ir meteoritai?

13. Kas tai yra “albedo”?

14. Kurioje srityje yra išsidėstę daugiausia asteroidų orbitų?

15. Kuo kometų orbitos skiriasi nuo planetų orbitų?

4. Saulės imperija. Nuolatinis judėjimas

Saulės šeimos planetos, kaip matėme, nuodugniau patyrinėjus, pasirodo beesą labai skirtingos, nors paprastam stebėtojui jos yra beveik vienodi, tamsesni ar šviesesni taškai, skirtingai nuo žvaigždžių, palyginus greitai ir iš pirmo žvilgsnio gana chaotiškai judantys dangaus skliaute.

Prisiminkite Marso judėjimo trajektoriją, pavaizduotą Pav. 1.9. Būtent tas jų judėjimo nereguliarumas taip ilgai ir domino visus stebėtojus. Šiais laikais, jei kas nors pradėtų įdėmiai žiūrėti į dangų, maišalynė būtų dar didesnė, nes skraido daugybė reisinių ir karinių lėktuvų bei dirbtinių

Žemės palydovų, kurie yra palyginus labai netoli Žemės, ir nors būdami maži, atspindi pakankamai daug šviesos, kad būtų neblogai matomi. Kuo ne planetos? Įsigudrinus, žinoma, galima būtų greitai atskirti pelus nuo grūdų, bet senovėje ta prasme uždavinys buvo žymiai paprastesnis.

Kai planetos jau identifikuotos, atsiranda naujų problemų, Pagrindiniai kylantys klausimai yra – iš kur jos atsirado ir kodėl jos taip juda? Kas varo planetas ratu, kodėl jos nesustoja arba nenukrenta? Norint į juos atsakyti, reikia pirmiausia pasiaiškinti, kaip jos juda. Minėjome sudėtingą

Ptolemėjaus sferų sistemą (Pav. 1.10), sąžiningai tarnavusią beveik pusantro tūkstantmečio. Kam gi Aristoteliui, išradusiam tas sferas,

Ptolemėjui, jas ištobulinusiam, o po to net ir Kopernikui, jų prireikė?

Atsakymas labai paprastas. Sferos buvo reikalingos kaip nors suderinti tai, kad iš tikrųjų planetos juda ne apskritiminėmis orbitomis, o elipsinėmis, su įvaizdžiu, kad gamtoje tobula figūra yra sfera, ir planetos, kurių judėjimo priežastys buvo visiškai nesuprantamos, turi jomis ir judėti.

Judėjimą elipsiu iš bėdos galima pavaizduoti, kaip dviejų sferų riedėjimą viena kitos paviršiumi ir naudojant šį modelį nuspėti, kur viena ar kita planeta bus po kurio nors laiko. Nepasitvirtinus kokiai prognozei modelį reikėdavo tobulinti, ir Ptolemėjus galų gale buvo šioje srityje pasiekęs didžiausio įmanomo tikslumo.

Pav. 4.1. Apskritimai, elipsės ir sferos.

Ir prieš Ptolemėjų, ir po jo vis pasitaikydavo bandymų suvokti šį judėjimą kaip kažkokios visaapimančios harmonijos ar aukštesnės valios pasireiškimą, todėl kad žmogiškoji prigimtis pirmiausia verčia ieškoti ryšių tarp įvairių paslaptingų reiškinių. Plačiausiai žinomi bent jau bandymai susieti planetų judėjimo harmoniją su muzikinių garsų ir spalvų deriniais. Kadangi tai gana romantiška ir senovėje, sprendžiant iš įvairių išlikusių liudijimų, buvo populiaru, pabandykime pasiaiškinti šį ryšį kiek nuodugniau.

Kad išvengtume visiškos maišaties, nusikelkime bent jau į Koperniko laikus ir tikėkime, kad planetos sukasi apie Saulę, o ne apie Žemę. Apsiribokime taip pat penkiomis arčiausiai esančiomis ir lengviausiai pastebimomis planetomis bei žvaigždžių sfera. Paprasčiausiai nustatoma ir ilgą laiką vienintele planetos judėjimo charakteristika buvo jos apsisukimo aplink

Saulę periodas, mūsų lentelėje pavadintas metais T ir pateiktas Žemės metų vienetuose. Atvirkščias periodui dydis ( f=1/T ) vadinamas dažniu.

Populiariausias dažnio vienetas yra Hercas, žymimas Hz. Tai dažnis tokio judėjimo, kai per sekundę įvyksta vienas apsisukimas, arba, kitais žodžiais tariant, kai judėjimo periodas lygus vienai sekundei. Planetų judėjimo periodai žymiai didesni už sekundę, todėl jų dažniai yra žymiai mažesni už

Hercą. Muzikinių garsų bei matomos šviesos bangų dažniai yra žymiai už

Hercą didesni, todėl tiesiogiai jų palyginti negalima, bet paėmę dažnių santykius šiokią tokią bazę palyginimams galime surasti.

Pradėkime nuo muzikos, tuo labiau kad ši lygiagretė siekia toliausiai –

Pitagoro laikus. Dviejų paeiliui einančių oktavų ribinių dažnių santykis lygus dviems, tai yra sekančios oktavos „do” turi du kartus didesnį dažnį, negu prieš tai einančios „do”.

Tas pats turi galioti ir visiems kitiems garsams, todėl temperuotoje oktavoje, turinčioje dvylika pustonių, kiekvieno sekančiojo dažnis turi būti 21/12 kartų didesnis už prieš jį einančiojo, kad pakėlę šį skaičių dvyliktuoju laipsniu (oktavoje viso yra dvylika pustonių), gautume dvejetą.

Šiek tiek maišaties įneša tai, kad oktavoje tarp „mi” ir „fa” bei „si” ir „do” garsų yra tik pustonis, o tarp visų kitų – po du pustonius, bet jei atkreipsime į tai dėmesį, dažnių santykius skaičiuoti bus nesunku.

Antroji lygiagretė būtų su šviesa. Matomos šviesos elektromagnetinių bangų dažniai matuojami dešimtimis su daugybe nulių Hercų, todėl pasinaudokime tuo ryšiu, kad f=c/(, kur c yra šviesos greitis, o ( – šviesos bangos ilgis, kuris violetinei spalvai lygus 400 nm (nanometrų, tai yra milijardinių metro dalių), raudonai – 700 nm, o visos kitos spalvos telpa šiame intervale. Taigi, didžiausio ir mažiausio dažnių santykis šiuo atveju artimas dviems, panašiai kaip oktavos garsų, kuris tiksliai lygus dviems.

Planetų judėjimo dažnių santykius lengva surasti iš 3.1 Lentelės imant jau minėtus T. Vienintelė išimtis yra ta, kad toje lentelėje nėra žvaigždžių sferos, kuri „apsisuka” apie Žemę per parą, tai yra per 1/365 metų dalį.

Šių duomenų pakanka sudaryti 4.1 Lentelei.

Vargu ar galima pamatyti kokį nors ryšį tarp šių dažnių. Gal kiek glaudesnis atitikimas yra tik tarp muzikinių garsų ir spalvų, tačiau planetų judėjimas, be abejo, nėra toks harmoningas. Tikroji planetų judėjimo harmonija jau atspindėta 3.1 Lentelės paskutiniajame stulpelyje, tačiau kalbėsime apie tai kiek vėliau.

Taigi, planetos skirtingos ir juda gana chaotiškai. Vis tik egzistuoja tarp jų judėjimo ir jungiančiųjų bruožų. Pirmasis yra tas, kad visos jos, o taip pat Mėnulis ir Saulė juda nenutoldami nuo taip vadinamų Zodiako žvaigždynų.

Dabar mes žinome, kad taip yra todėl, kad visų planetų sukimosi apie Saulę orbitų plokštumos beveik sutampa su Ekliptikos, tai yra Žemės judėjimo apie

Saulę plokštuma. Mėnulio judėjimo apie Žemę plokštuma irgi artima jai.

Kodėl taip yra, paaiškinti nėra lengva, tačiau jei žiūrėsime į tai kaip į nustatytą faktą, tai jis gali atrodyti gana keistai, vėlgi kaip kažkokios harmonijos pasireiškimas. Šis faktas astrologų yra „sudvasintas”, jam suteikta gili „prasmė”. Kiekvieną savaitę, o kartais ir dieną, laikraščiuose spausdinami įvairiausi horoskopai, todėl apeiti šį faktą niekaip jo nepakomentavus būtų tiesiog nepadoru. Taigi, Zodiako žvaigždynai yra tie, į kuriuos projektuojasi Ekliptikos ir kitų planetų judėjimo plokštumos, išpjaunančios maždaug 16 laipsnių pločio dangaus sferos juostą. Jų yra dvylika – Žuvys, Avinas, Tauras, Dvyniai, Vėžys,

Liūtas, Mergelė, Svarstyklės, Skorpionas, Šaulys, Ožiaragis ir Vandenis.

Tiesė, jungianti Saulę ir Žemę, per metus prabėga visus minėtus žvaigždynus, būdama kiekviename jų beveik po mėnesį. Nors žvaigždės, sudarančios žvaigždynus, yra nutolę nuo Žemės įvairiausiais, milžiniškai besiskiriančiais, atstumais, tačiau jų judėjimas viena kitos atžvilgiu per šimtmečius sunkiai pastebimas, todėl žvaigždynų raštai laikui bėgant beveik nesikeičia. Žvaigždės tiesiog prašyte prašosi sujungiamos į grupes, kurios buvo įvairių tautų pavadintos įvairiais vardais pagal panašumą į kokius nors gyvūnus, daiktus ar reiškinius. Dar babiloniečiai atrado Zodiako juostą ir suskirstė ją į dvylika žvaigždynų, gali būti, kad tai buvo sąlygota Mėnulio fazių periodiškumu, lemiančiu metų paskirstymą į 12

mėnesių. Kinai, po to graikai tą darbą padarė iš naujo; galų gale dabar naudojamės būtent graikų sukurta žvaigždynų sistema. Skirstymas į žvaigždynus, kaip matome, yra grynai subjektyvus veiksmas; be to, dėl Žemės ašies precesijos sistema yra paslanki – pavyzdžiui, mūsų eros pradžioje pavasario lygiadienio taškas buvo Avino, o dabar jis randasi Žuvų žvaigždyne.

|Muzikiniai|Dažnių |Spalvos |Dažnių |Dangaus |Dažnių |

|garsai |santykiai | |santykiai |kūnai |santykiai |

|Do |1 |Raudona |1 |Žemė |1 |

|Re |1.1225 |Oranžinė |1.0800 |Mėnulis |13.37 |

|Mi |1.2600 |Geltona |1.1638 |Saulė |365 |

|Fa |1.3350 |Žalia |1.2736 |Žvaigždžių |365 |

| | | | |sfera | |

|Sol |1.4985 |Mėlyna |1.5000 |Merkurijus |4.1494 |

|La |1.6827 |Violetinė |1.6875 |Venera |1.6234 |

|Si |1.8887 | | |Marsas |0.5313 |

|Do (kitos |2 | | |Jupiteris |0.0843 |

|oktavos) | | | | | |

4.1 Lentelė. Pateikti planetų apsisukimo apie Saulę dažnių santykiai su atitinkamu Žemės dažniu, tai yra vienetuose 1/Žemės metų. Mėnulio, Saulės ir Žvaigždžių sferos apsisukimo apie Žemę dažniai pateikti tuose pačiuose vienetuose.

Astrologija yra pseudo teorija, teigianti, kad Saulės, Mėnulio ir planetų išsidėstymas Zodiako žvaigždynų juostoje turi įtakos žmonių, tautų ir valstybių likimui ir gamtos reiškiniams. Ši teorija, deja, taip pat netenkina pagrindinių mokslinės teorijos reikalavimų, nes jos išvados nei patikrinamos, nei patvirtinamos pakartotiniais bandymais, o tarp prognozių ir realybės koreliacija nesurasta. Kokią įtaką gali turėti vieno ar kito dangaus kūno padėtis, galima spręsti iš 2.1 Lentelės, kurioje pateikti santykiai jėgų, kuriomis stovintį ant Žemės žmogų veikia ta ar kita planeta.

Palyginimui toks jėgų santykis, jei atsistotumėte prie (1 m)3 vandens rezervuaro, būtų lygus maždaug 10-8. Ką tokiu atveju kalbėti apie didelį namą arba tankiai apgyvendintą rajoną. Taigi, su astrologija aiškiai kažkas ne taip. Greičiau tai galėtų būti psichologų studijų objektu, nes matyt žmogaus pasamonėje užprogramuotas poreikis tikėti kokia nors pasaka.

Grįžkime prie planetų judėjimo. Paprasčiausia yra nustatyti planetos apsisukimo apie Saulę periodą. Tam prireikia nemažai laiko, nes tolimųjų planetų apsisukimo periodai (metai) yra gana ilgi. Pavyzdžiui, Saturno metai, kaip jau žinome, lygūs maždaug 30 Žemės metų. Be to, reikia atsižvelgti dar ir į tai, kad Žemė pati juda apie Saulę. Antrasis svarbus parametras, kurio dar nemokame matuoti, yra planetos atstumas nuo Saulės.

Dabar žinoma bent keletas būdų jį nustatyti, tačiau pirmas tikslus matavimas paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC ) idėja, kurią išsiaiškinsime septintojoje paskaitoje.

Išmatavus bent vieną atstumą iki kokios nors planetos, nesunku gana tiksliai nustatyti ir visų kitų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius, nes, kaip matome iš 3.1 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo ir apsisukimo periodo kvadrato santykis yra toks pat. Tai yra trečiasis

Keplerio dėsnis, atrastas analizuojant Bragės matavimų rezultatus 1618

metais. Iš lentelės puikiai matosi, kad Mėnulis ir Charonas nėra Saulės sistemos planetos. Jiems šie santykiai yra visiškai kitokie, nes jie yra ne

Saulės, o Žemės ir Plutono palydovai. Jei Žemė turėtų antrąjį Mėnulį, jam šis santykis būtų toks pat kaip ir pirmajam. Galilėjus, savo teleskopu pastebėjęs keturis Jupiterio palydovus, nustatė, kad visi jie puikiai tenkina šį dėsnį.

Kodėl taip yra, paaiškino Niutonas, atrasdamas jums gerai žinomą visuotinės traukos dėsnį. Prisiminkime. Jėga, kuria masės M kūnas (Saulė) traukia masės m kūną (planetą) yra

F = GMm/R2 .

Čia G yra gravitacijos konstanta, o R – atstumas tarp jų (Saulės ir planetos) centrų. Kadangi planeta nekrenta tiesiai kaip akmuo į Saulę, o juda kiekvienu momentu kryptimi, statmena jungiančiai jas tiesei, reiškia, ši jėga yra atsverta atsirandančios dėl judėjimo apskritimu išcentrinės jėgos, kuri lygi

F = mv2/R.

Planeta per savo metus T nuskrieja visą apskritimą, kurio ilgis yra 2(R, taigi jos greitis v = 2(R/T.

Jei šią išraišką įstatysime į išcentrinės jėgos išraišką ir sulyginsime abi jėgas, tai nesunkiai gausime, kad

R3/T2 = GM/(2()2 .

Taigi, šis santykis priklauso tik nuo Saulės masės ir pasaulinių konstantų, todėl jis ir yra vienodas visoms planetoms arba visiems kokios nors planetos palydovams.

Kodėl mūsų lentelėje jis vis tik ne visoms planetoms tiksliai lygus vienetui? Tai lemia keleta faktorių, iš kurių svarbiausia yra tai, kad planetos juda ne apskritimais, o elipsėmis, ir sąveikoja ne tik su Saule, bet ir tarpusavyje.

Tai ir yra ta reali harmonija, kuri nelengvai surasta būtent iš Saulės sistemos studijų, bet galioja be išimčių visiems dangaus kūnams, kuriuos iki šiol pavyko stebėti.

3.1 Lentelėje yra dar keleta planetų parametrų, kurių matavimo iki šiol nesame aptarę. Pirmiausia tai yra planetos spindulys. Jo radimas visai paprastas – kadangi planetos orbitos parametrai žinomi, lengvai galime rasti atstumą tarp minimos planetos ir Žemės bet kuriuo momentu, o po to pagal jos matomą kampinį dydį surasti diametrą. Planetos parą, tai yra apsisukimo apie savo ašį periodą, galima nustatyti ją stebint. Planetos tankį galima surasti, žinant jos masę ir tūrį. Surasti tūrį žinant diametrą visai nesunku, taigi, lieka paskutinis ir labai įdomus parametras –

planetos masė.

Žemės masę surasti itin lengva, nes žinomas laisvo kritimo pagreitis ant paviršiaus, kurį galima rasti paprasčiausiai mėtant daiktus. Jei šis pagreitis, žymimas g ir apytikriai lygus 980 m/s2, bei gravitacijos konstanta žinomi, tai bet kurio daikto, kurio masė m, sunkis lygus

P = mg = GMm/r2 .

Padalinus abi puses iš m , Žemės masę M galima išreikšti taip:

M = gr2 /G,

kur r yra lygus Žemės spinduliui.

Galima dar ir patikrinti gautą reikšmę, suskaičiavus tą patį dydį kitu būdu.

Aukščiau jau pateikta formulė, susiejanti planetos, tai yra Saulės palydovo, orbitos spindulį ir apsisukimo periodą su Saulės mase. Iš šios išraiškos galime Saulės masę išreikšti per bet kurios planetos orbitos parametrus taip:

M =(2()2 R3/G T2 .

Šį sąryšį galima panaudoti ir Žemės masei rasti, kadangi Mėnulis yra jos palydovas, jo orbitos parametrai žinomi, o daugiau nieko ir nereikia.

Žinoma keleta rafinuotų metodų kitų planetų masėms rasti, tačiau pats paprasčiausias tas, kurį ką tik išdėstėme, paremtas jos palydovo arba palydovų orbitų parametrų, kurie nesunkiai matuojami, panaudojimu, taikant pateiktas formules.

Klausimai

1. Kiek yra Zodiako žvaigždynų?

2. Atstumo iki planetų matavimo metodai?

3. Kas tai yra astrologija?

4. Ką teigia trečiasis Keplerio dėsnis?

5. Kodėl kai kurios planetos stebint iš Žemės juda pirmyn – atgal?

6. Kaip kinta judančio eliptine orbita kūno greitis jam artėjant prie

Saulės?

7. Kaip paprasčiausiai surasti Saulės masę?

5. Kosminės kelionės

Mitai ir istorijos, pasakojančios apie skrydžius į Mėnulį ar žvaigždes, yra ko gero tokios pat senos, kaip žmonija. Pirmoji žinoma knyga šiuo klausimu yra graiko Lucian iš Samosata 160 AD metais skelbta „Vera historia”, kurios herojus per aštuonias dienas nuvyksta į Mėnulį ir po to bando tęsti kelionę į Olimpą, bet tuo užrūstina Dzeusą, kuris įsako grąžinti keliautoją į Žemę.

Žinoma taip pat nemažai vėlesnių fantastinių istorijų, aprašančių keliones kosmose. Tarp jų autorių buvo tokie žinomi žmonės, kaip Johannes Kepler,

Cyrano de Bergerac, Jules Verne, H.G.Wells ir kiti. Arčiausiai tiesos pasirodė Arthur C.Clarke tuoj po II Pasaulinio karo publikuotos istorijos, kuriose keleta dešimtmečių prieš praktišką realizavimą gana realistiškai aprašomos šių kelionių problemos ir pasiekimai. Tarp kitko, jis pirmasis nuspėjo ir palydovų naudą perduodant žinias iš vienų Žemės rajonų į kitus, tai yra šiuolaikinių komunikacinių sistemų esmę.

Realus gyvenimas, kaip visada, pasirodė žymiai sudėtingesnis. Nei paukštis, nei netgi keleivinis lėktuvas, kaip gerai žinoma, išskristi už Žemės atmosferos ribų negali. Atmosfera gi baigiasi labai netoli nuo Žemės, apie jokį skrydį netgi į Mėnulį kalbėti be naujo tipo transporto priemonės neįmanoma. Tokia transporto priemonė yra raketa.

Nuo kulkos raketa skiriasi tuo, kad judesio kiekį ji įgauna ne stumiama šautuvo vamzdžiu degant parakui, o kaupia jį kelionės metu, nes kurą vežasi su savimi ir palaipsniui jį degina.

Nuo motorinės valties ar lėktuvo ji skiriasi tuo, kad trauka raketoje išsivysto ne sukantis propeleriui, kurio sėkmingam darbui reikalinga materiali ir tanki aplinka – vanduo arba atmosfera, o dėl išmetamų degimo produktų judesio kiekio, dėl tvermės dėsnio perduodamo raketai. Kosminių skrydžių raketa skiriasi netgi nuo reaktyvinio lėktuvo, kadangi pastarasis kuro deginimui naudoja atmosferoje esantį deguonį, o raketa net ir deguonį turi vežtis su savimi.

Pirmosios parako raketos tikriausiai pasirodė Kinijoje apie XI-XII amžių.

Jos buvo vadinamos „ugnies strėlėmis”. Yra išlikęs pasakojimas, kad apie

1500 metus kinietis vardu Wan Hoo prie savo palankino liepė pritaisyti 47

juodojo parako raketas, kurias 47 tarnai vienu metu ir uždegė. Pasakojimas čia ir baigiasi, nes to Wan Hoo daugiau niekas nėra matęs. Maždaug nuo XVI

amžiaus raketos buvo žinomos jau ir Europoje, tačiau kaip ginklai pradėtos naudoti tik XVIII amžiaus gale, po to kai Indijos išsilaisvinimo kovose indai jas naudodavo prieš anglus. Pastarieji jas patobulino ir pritaikydavo netgi kariaudami Europoje, pavyzdžiui puldami Boloniją 1806 ir Kopenhagą

1807 metais bei batalijose Šiaurės Amerikoje.

Teoriniai kelionių kosmose raketomis pagrindai buvo padėti XX amžiaus pradžioje ruso K.Ciolkovskio, vokiečio H.Oberth, prancūzo R.Esnault-

Pelterie ir amerikiečio R.Goddard pastangomis. Būtent šiose šalyse antrajame – trečiajame dešimtmetyje ir pradėjo vystytis eksperimentai su raketomis ir bandymai jas pritaikyti įvairiose transporto priemonėse.

Pirmasis lėktuvas, varomas 16 parako raketų, į orą pakilo ir 75 sekundes skrajojo Vokietijoje 1928 metų birželio 28, tačiau ir šio skrydžio principai, ir priemonės buvo labai tolimos nuo naudojamų šiuolaikinėse raketose.

Du žmonės, kurių nuopelnai neabejotinai patys didžiausi šioje srityje, yra vokietis Wernher von Braun (1912-1977) ir rusas Sergei Koroliov (1907-

1966). Abiejų jų likimai dėl laikmečio specifikos, totalitarinių režimų ir galimybės raketas pritaikyti naikinimui susiklostė nelengvai, bet šie žmonės, ir ypatingai pirmasis, yra labiausiai nusipelnę tam, kad žmonija nutiesė kelius į kosmosą.

S.Koroliovas nuo 1938 metų Stalino buvo įkalintas ir dirbo lėktuvų bei raketų tyrinėjimo darbus kartu su daugeliu kitų konstruktorių, tokių kaip

A. Tupolevas, koncentracijos stovykloje Uralo kalnuose. Tuoj po karo jam buvo pavesta atlikti vokiečių raketų, užgrobtų okupavus Vokietiją, ekspertizę ir jų tobulinimo darbus. Per labai trumpą laiką jis sugebėjo suburti pajėgų kolektyvą ir pasinaudodamas praktiškai neribota valdžiusios tada Sovietų Sąjungą klikos parama sukurti ir paleisti 1957 rugpjūtį pirmąją tarpkontinentinę balistinę raketą, o mažiau kaip po dviejų mėnesių

– 1957 spalio 4 – ir pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą. Šaltojo karo metais supervalstybių varžybos šioje srityje buvo viena svarbiausių jų prestižo komponenčių, todėl itin skatinant šiuos tyrimus, Koroliovo konstruktorių biuras ilgai pirmavo lenktynėse. 1961 balandžio 12 į kosmosą nuskrido pirmasis žmogus – J. Gagarinas, 1963 birželio 16 – pirmoji moteris – V.

Tereškova, 1964 spalio 12 – pirmasis kosminis laivas su dviem kosmonautais,

1965 kovo 18 – pirmasis kosmonauto (A. Leonov) išėjimas iš laivo skrydžio metu į erdvę. Vystėsi ir nepilotuojamų skrydžių technika. 1959 Luna 2 ir

Luna 3 apskrido Mėnulį ir pirmą kartą nufotografavo jo nematomąją iš Žemės pusę. Apie 1960 S. Koroliovui buvo iškeltas uždavinys sukurti kosminį laivą, galintį nugabenti į Mėnulį žmones. Jo sukurtas šiam tikslui kosminis laivas Sojuz ilgą laiką buvo naudojamas gabenant kosmonautus ir krovinius į dabar jau nebeegzistuojančią kosminę stotį “Mir”. Praktiškai visą gyvenimą šio žmogaus vardas buvo kruopščiausiai slepiamas. Jis buvo vadinamas

„Vyriausiuoju konstruktoriumi”, niekas negalėjo jo nei filmuoti, nei fotografuoti. Tik po mirties 1966 metais, laidotuvių metu, pasaulis galų gale išgirdo šią nieko nesakančią pavardę.

W. von Braun nuo 1932 metų dirbo jau minėto H. Oberth laboratorijoje prie

Berlyno, kūrusioje karo ginklus ir raketas. Pirmoji raketa, sukurta paties

W. von Braun grupės, buvo žymima A1, antroji – A2 ir taip toliau. Karo metu šiam darbui Hitlerio režimas pradėjo skirti nemažą dėmesį, W. von Braunui

Peenemuende vietovėje šiaurės rytų Vokietijoje buvo pastatyta speciali laboratorija. Žinomiausia tais metais jo sukurtų raketų yra A4, kuri

Vokiečių propagandos ministerijos buvo pavadinta Keršto ginklu V2

(Vengeance Weapon). Naudojant koncentracijos stovyklų kalinių darbą, buvo pagaminti tūkstančiai šių raketų, kurios buvo naudojamos ir kaip teroro ginklas, tai yra griovimams ir civilių žudynėms.

Pav. 5.1. Vokiečių raketa V2, vienas iš pačių galingiausių Antrojo

Pasaulinio karo ginklų.

Raketa, sukurta 1942, svėrė apie 13 tonų, galėjo gabenti apie 900 kg sprogmenų, pasiekdavo iki 80 km aukštį ir nuskriedavo atstumą, artimą 300

km. Tais laikais tai buvo fantastiški parametrai. W. von Braun domėjimasis šių raketų pritaikymu ne tik karui, bet ir kosminiams skrydžiams neliko nacių nepastebėtas.

Už tariamą sabotažą ir nepakankamą dėmesį raketų kaip ginklo tobulinimui agonijoje esantis režimas dvi savaitės iki galutinio žlugimo netgi areštavo jį ir dar keletą bendraminčių. 1945 staigus Vakarų sąjungininkų pajėgų puolimas leido jiems užimti Peenemuende ir išlaisvinti konstruktorius.

Pats W. von Braun ir apie 120 jo geriausių inžinierių greitai pasirašė kontraktus su JAV Armija, susikrovė beveik visas likusias raketas, ir buvo išvežti į JAV, nes po kelių dienų pagal susitarimą tą vietovę okupavo Sovietų armija. Rusai, užėmę miestelį, elgėsi sau būdinga maniera ir žymiai rafinuočiau. Esu daugiau kaip prieš dešimtmetį matęs BBC

filmą, tada slaptai atvežtą į Sovietų Sąjungą, kuriame buvo užfiksuoti likusių gyvų tų įvykių dalyvių prisiminimai. Taip ir nesupratau, kam leidus, o gal ir savo rizika, nes neužilgo jis pasimirė, akademikas

G.Flerovas, išgarsinęs Sovietų Sąjungą ne tik dalyvaudamas kolektyve, kūrusiame branduolines bombas, bet ir jau vėliau savo laboratorijoje pirmasis pasaulyje surasdamas ir identifikuodamas supersunkiųjų labai trumpai gyvuojančių branduolių izotopus, pakvietė mus, nedidelį ratą savo bendradarbių ir svečių vieną vakarą po konferencijos Branduolinių tyrimų laboratorijoje Dubnos mieste netoli Maskvos pasižiūrėti šį filmą. Filme buvo rodomi dokumentiniai kadrai ir keletos vokiečių šeimų komentarai.

Rusai, užėmę miestą, paskyrė komendantą, kuris, tuoj pat suregistravęs jo gyventojus, dirbusius raketų gamykloje, pakvietė juos pas save į priėmimą.

Tokio kokybiško maisto ir tiek degtinės karo trūkumų išvarginti vokiečiai buvo seniai neregėję, todėl smagiai praleidę vakarą ir iki soties pasišnekėję su svetingais šeimininkais, ramiai sumigo savo namuose. Vidurį nakties jie visi su šeimomis, apie 300 žmonių, buvo pakelti iš lovų, susodinti į vagonus ir išvežti į Uralą.

Kareiviai gi iki varžto išardė dvi ar tris likusias ne visai baigtas statyti ir neišvežtas amerikiečių V2 ir pervežė ten pat. Žmonės neturėjo kitos išeities, kaip tik atstatyti šias raketas. Nežinia, kaip būtų jiems baigęsi, bet po Stalino mirties besiveržiantis į valdžią KGB šefas Berija juos už sėkmingai atliktą darbą ne sušaudė, o kažkodėl tai paleido atgal į Vokietiją.

Matyt, KGB jie buvo tiek prigąsdinti, kad išdrįso papasakoti šiuos savo nuotykius tik po daugelio dešimtmečių, atėjus į valdžią Gorbačiovui ir pasibaigus šaltojo karo košmarams. Ši istorija, aišku, buvo gerai ir seniai žinoma tam pačiam

G. Flerovui, filmo jis niekaip nekomentavo, nors šiaip buvo labai kalbus žmogus, pasižymintis labai geru jumoro jausmu. Aišku, ji buvo nemažas smūgis rusų konstruktorių ir to paties S. Koroliovo prestižui.

Taigi, ir rusų, ir amerikiečių raketos faktiškai turėjo vieną prototipą –

V2, ir vieną patriarchą – W. von Braun. Nedidelį amerikiečių atsilikimą nuo rusų pirmajame kosminių lenktynių etape galima paaiškinti tik tuo, kad rusai, nors būdami protingi ir labai kvalifikuoti specialistai, kuriems irgi labai rūpėjo naujovės, režimo buvo verčiami kuo greičiau duoti rezultatą, gi W.von Braun galėjo leisti sau Amerikoje iš esmės patobulinti minėtą savo kūrinį. Tai atėmė kiek daugiau lėšų ir laiko, bet ilgainiui užtikrino visišką šios technikos pranašumą, ką dabar ir matome. Saturno V

raketa, nugabenusi žmones į Mėnulį, buvo šio konstruktoriaus pasiekimų viršūnė, pakeitusi visą kosminių skrydžių istoriją. Šiuolaikinės raketos yra, nors ir nemažos, bet vis tik šių pirmųjų modifikacijos.

Pav. 5.2. Didžiausioji raketa – Saturn V. Dešinėje stovi W. von Braun.

Taigi, turime raketą. Vis tik, norint ja gabenti į kosmosą žmogų, reikia dar daug ko ir pirmiausia – to keleivio (keleivių) gyvenimą ir darbą palaikančios sistemos, kuri ir yra kosminis laivas. Kosminė erdvė yra visiškai nepalanki gyvybei. Joje yra tik labai nedaug vandenilio atomų arba molekulių, todėl ne tik maistą, bet netgi ir orą kvėpavimui tenka vežtis su savimi. Antra, būnant orbitoje arba toliau nuo Žemės visai kompensuojasi arba labai sumažėja jos trauka. Organizmas gi pripratęs prie Žemės traukos, todėl tenka laive, ypač jei skridimas tęsiasi ilgai, įrengti ir kažkokią tai sistemą, imituojančią trauką, kad nesiatrofuotų kai kurie organai.

Trečia, kaip žinome, kosmoso temperatūra artima absoliučiam nuliui, todėl objektai, koks yra ir kosminis laivas, neapšviesti Saulės, greitai atvėsta.

Išnirus palydovui iš Žemės šešėlio, Saulė minučių bėgyje jį gali įšildyti iki pražūtingų temperatūrų, taigi, reikalinga dar ir kažkokia temperatūros reguliavimo sistema. Ketvirta, kosminiai laivai, nutolę nuo Saulės, nebegauna pakankamai jos energijos netgi kompiuterių ir komunikacijos prietaisų maitinimui, todėl pastaruoju metu į juos dedami miniatiūriniai branduoliniai reaktoriai. Prieš tokią praktiką pasisako žalieji, gal jau ir matėte spaudoje panašias žinutes. Jų argumentacija gana įtikinanti – jei tokios raketos paleidimas nebūtų sėkmingas ir ją prie pat Žemės ištiktų avarija, radioaktyvus užteršimas gali būti gana pavojingas.

Galų gale, išskridus kosminiam laivui už atmosferos ribų, niekas nesulaiko pražūtingų trumpabangių spindulių ir kosminiuose spinduliuose esančių didelių energijų dalelių. Reikia saugotis ir jų, o taip pat skrajojančių erdvėje nedidelių makroskopinių kūnų, kurie nukritę į Žemę žinomi kaip meteoritai. Be to, Saulė ir kiti dangaus kūnai turi stiprius magnetinius laukus, jie gali sugadinti prietaisus, reikia atkreipti dėmesį dar ir į tai. Visos išvardintos priemonės daro kosminį skrydį labai brangia ir gana pavojinga operacija.

Didžiausia žinoma katastrofa, susijusi su kosmoso tyrimų technika, įvyko

Baikonure, rusų kosmodrome Kazachijos teritorijoje 1960 metų spalio 24

dieną, pusę valandos prieš paleidimą, kai personalas dar nebuvo saugioje vietoje. Dėl klaidingos komandos užsidegė tarpkontinentinės raektos antroji pakopa. Gaisro, kuris tęsėsi apie 2 valandas, metu žuvo 92 žmonės, tarp jų

– rusų maršalas, strateginės ginkluotės vadas M. Nedelinas. Dar ir po šiai dienai spalio 24 iš Rusijos nėra pakilusi jokia raketa. Neišsiskleidus parašiutui po nesėkmingo paleidimo grįžtant į Žemę, 1967 užsimušė rusų kosmonautas, 1971 grįžtant iš orbitos dėl kabinos išhermetinimo užtroško trys rusų kosmonautai, 1986 pakilimo metu sprogo JAV kosminis laivas –

švytuoklė Challenger, žuvo visi septyni įgulos nariai. 2003 metų vasario pirmąją, grįždamas iš orbitos, avariją patyrė erdvėlaivis Columbia, vėl žuvo visi septyni kosmonautai. Daug skrydžių, panašiai kaip Apolo XIII

skrydis į Mėnulį, nesibaigė tragiškai tik per stebuklą, nes įgula buvo išgelbėta tik jos pačios ir valdančio skrydį personalo meistriškumo dėka.

Pav. 5.3. Erdvėlaivis starto aikštelėje.

Pav. 5.4. Columbia erdvėlaivio startas.

Pav. 5.5. Erdvėlaivis orbitoje.

Šiaip raketa nėra labai vykusi transporto priemonė, nes apie 90-95

procentus jos masės sudaro kuras, atidirbusios pakopos paprasčiausiai numetamos dar atmosferoje, įvykus kad ir mažiausiai avarijai paleidimo metu jos kelia didelį pavojų aplinkiniams dideliame plote. Rusų raketos, leidžiamos iš Baikonūro kosmodromo Kazachstane yra taip užteršę didelį regioną, kad gyvenimas ten jau labai pavojingas, jei iš viso įmanomas. Dėl šios priežasties Kazachstano valdžia reikalauja vis didesnių kompensacijų ir kosmodromo eksploatacija gali iš viso nutrūkti.

Kad įspūdis apie kosminių skrydžių mastus būtų kuo pilnesnis, galiu paminėti, kad didžiausia kada nors paleista iš Žemės raketa yra jau minėta

Saturn V. Jos ilgis 111 metrų, pati sistema sveria 3.4 milijono kg, o jos pirmoji pakopa – apie 2.3 milijono kg. Ši pastaroji, pilnai sudegusi per 2

minutes ir 40 sekundžių, pakelia laivą į 66 km aukštį. Vienam paleidimo liudininkui susidarė įspūdis, kad paleidimo metu ne tik Saturnas V pakilo, bet ir žemyn pajudėjo visas Kanaveralo iškyšulys Floridoje, kur yra

J.F.Kenedžio kosmodromas. Antroji pakopa pakelia laivą į 193 km aukštį, suteikia jam 27 350 km/val greitį ir išveda į Žemės orbitą. Trečioji pakopa, pasiunčianti jį į trajektoriją Mėnulio link galų gale suteikia laivui 39 110 km/val greitį.

Visus kosminius skrydžius galima tarsi suskirstyti į kelias grupes.

Pirmiausia tai yra nepilotuojami skrydžiai, skirti paleisti kokį nors palydovą su ryšių ar stebėjimo įranga. Tai gana paprastas skrydis, kurio technika gerai išstudijuota. Tokio tipo laivus dabar jau pradeda leisti netgi valstybės, tokios kaip Prancūzija, Kinija ar Indija, neturinčios elitinių šioje srityje statuso.

Galų gale, jei kokia valstybė ar stambi kompanija pasigamina kokį objektą, kurį nori patalpinti pageidaujamoje orbitoje, ji gali paprasčiausiai užmokėti už paslaugą specialistams raketa pakeliant tą palydovą į orbitą.

Stambiausias toks palydovas šiuo metu yra tarptautinė Kosminė Stotis, skriejanti orbita apie Žemę, kurios didžiausias atstumas yra 406, o mažiausias – 382 kilometrai. Ji apskrieja Žemę maždaug per pusantros valandos.

Ši stotis reikalauja nuolatinės priežiūros, nes kas parą jos orbitos atstumas nuo Žemės sumažėja apie 200 metrų, ir reguliariai ją tenka pakelti į aukštesnę orbitą, nes nusileidus jai žemiau tos minimalios ribos kritimo procesas tampa sunkiai koreguojamas.

Pav. 5.6. Tarptautinė Kosminė Stotis orbitoje.

Antroji palydovų rūšis – zondai su tyrinėjimo aparatūra, skirta tolimesniems nei Žemė objektams tyrinėti. Jiems reikia suteikti didesnį greitį, kad jie taptų nebe Žemės, o Saulės palydovais. Reikalinga galingesnė raketa ir subtilesnė įranga. Kaip minėta, tokie laivai gali turėti rafinuotesnius energijos šaltinius ir įvairiausių prietaisų vienam ar kitam Saulės sistemos objektui tyrinėti.

Tokiu atveju pirmosios raketos pakopos (pakopa) pakelia šį objektą į orbitą apie Žemę, ir tik po to sekanti pakopa suteikia jam greitį, reikiamą atsiplėšti nuo Žemės.

Jei numatoma labai ilga kelionė, palydovas paleidžiamas tarsi į kitą, nei reikia, pusę, kad Saulės apskriejimas jį dar labiau pagreitintų, o trajektorija dar priedo eitų netoli kitų planetų, kas taip pat dar tą greitį padidina. Tokiu būdu, nors ir prarandama kiek laiko, sutaupomos paleidimo lėšos. Labiausiai nutolę šiuo metu nuo Žemės raketos yra Pioneer

10 ir Pioneer 11, paleistos 1972 ir 1973 metais. 1983 metais pirmasis jų kirto Plutono orbitą ir būdamas apie 10 milijardų km atstume, jau ruošiasi išskristi už Saulės sistemos ribų. Su juo dar neseniai buvo palaikomas šioks toks ryšys, nors signalai ir labai silpni, o jų kelionė į Žemę judant šviesos greičiu tęsiasi dešimtis valandų. 1977 metais paleisti Voyager 1 ir

Voyager 2 taip pat ruošiasi palikti Saulės sistemą. Visi šie laivai veža plokštes su vaizdais, audio ir video įrašais, informuojančiais apie Žemę ir jos gyventojus.

Pav. 5.7. Toliausiai nuo Žemės nuskrieję kosminiai laivai (NASA).

Pav. 5.8. Pirmieji žmonės Mėnulyje.

Sudėtingiausi, be abejo, yra pilotuojami skrydžiai. Per trisdešimt metų, prabėgusių nuo žmonių išsilaipinimo Mėnulyje, jokių revoliucinių projektų nerealizuota. Artimiausia kelionė būtų į Marsą, tačiau ji užima labai daug laiko, reikalauja žymiai didesnių sąnaudų kosmonautų gyvybingumo užtikrinimui ir sėkmingam grįžimui, todėl nors ir buvo entuziastingai planuota, kol kas neįvyko ir nežinia kada įvyks. Labai pesimistiškai nuteikia keleta nepavykusių nepilotuojamų skrydžių į šią planetą, rodančių, kad kol kas tai būtų gana rizikingas žygis. Nemažą rolę čia vaidina ir tai, kad pasibaigus šaltajam karui kosminiai tyrimai prarado savo prestižiškumą.

Nelikus varžybų elemento jiems neskiriama tiek dėmesio ir finansų, kaip ankstesniais metais. Kiek vilties įžiebia tai, kad stiprios finansiškai valstybės, tokios kaip Europos Sąjunga ar Japonija, kuo toliau, tuo mažiau linkę taikstytis su JAV hegemonija šioje srityje, ir ateityje gali sudaryti joms tokią pageidaujamą konkurenciją ir vėl sukelti sveiką varžymąsi šioje išties įdomioje mokslinių tyrimų srityje.

Klausimai

1. Žemės palydovo, tokio kaip kosminė švytuoklė (Šatl’as) greitis orbitoje Žemės paviršiaus atžvilgiu?

2. Žemės palydovo, tokio kaip tarptautinė Kosminė Stotis, vieno apsisukimo judant orbitoje laikas?

3. Kuriais metais paleistas pirmasis dirbtinis Žemės palydovas?

4. Kuriais metais į kosmosą skrido pirmasis žmogus?

5. Kaip vadinasi didžiausia raketa, skirta kelionėms į kosmosą?

6. Kokie kosmoniai laivai šiuo metu yra labiausiai nutolę nuo Žemės?

6. Saulės imperija. Atsiradimas ir likimas

Dabar, kai išsiaiškinome pagrindines Saulės sistemos savybes, galima pakalbėti apie jos susidarymo hipotezes. Pirmasis, pabandęs kaip nors aiškinti Saulės sistemos atsiradimą, buvo prancūzų matematikas ir filosofas

R. Descartes, kuris 1644 paskelbė, kad ji susidarė iš gigantiško kažkokio tai “universalaus skysčio” sūkurio, ir kiekviena planeta yra tarsi atskiras mažesnis sūkurėlis. Ši teorija yra labai primityvi, ji šiek tiek derinasi tik su heliocentrinės sistemos idėja ir faktu, kad visos planetos orbitomis juda į tą pačią pusę. Nežiūrint šių trūkumų, ši teorija laikoma pirmąja iš evoliucinių Saulės sistemos kilmės teorijų. Bendras tokių teorijų bruožas yra tas, kad planetos atsiranda gimstant centrinei žvaigždei be jokių ypatingų apribojimų ar sąlygų. Jos leidžia egzistuoti planetų sistemoms ir daugelio kitų žvaigždžių aplinkoje, kadangi jų požiūriu tai yra natūralus reiškinys.

Šią idėją vėliau vystė I. Kant, kuris, jau remdamasis Niutono mechanikos principais, 1755 teigė, kad besisukantis dujų debesis gali evoliucionuoti į diską, panašų į Saturno žiedų sistemą. Mintį 1796 pratęsė prancūzų matematikas P. S. de Laplace, kuris įrodė, kad toks debesis gali suskilti į žiedus, iš kurių ilgainiui kondensuojasi planetos.

Pav. 6.1. Diskas su sūkuriais.

Šios evoliucinės kilmės teorijos turėjo tą trūkumą, kad negalėjo paaiškinti, kur dingo didžiulis judesio kiekio momentas, sukauptas tame debesyje. Jei viskas būtų vykę pagal šį scenarijų, Saulė dar ir šiuo metu turėtų turėti žymiai didesnį judesio kiekio momentą. Dabar gi jos sukimasis lėtas, ir todėl ši hipotezė nesiderina su tvermės dėsniu, kuris tokiems dideliems judesio kiekio momentams taip paprastai pražūti neleidžia.

Prisiminkite dažnai matytą vaizdą, kai ištiesęs į šonus rankas čiuožėjas įsisuka, o po to pritraukia rankas prie kūno. Kampinis jo sukimosi greitis tokiu atveju staiga padidėja, ir tai įvyksta dėl minėto judesio kiekio momento tvermės dėsnio, kuris reikalauja, kad kompaktiškiau paskirstyta masė suktūsi didesniu kampiniu greičiu.

Panašiai ir Saulė, kurioje sukoncentruota 99.85 procento, tai yra beveik visa sistemos masė, byloja apie debesies, iš kurio ji ir sistema turėtų būti susidarę, istoriją. Jeigu čiuožėjas gana greitai po tokios operacijos sustoja, tai tik todėl, kad jį veikia trinties jėgos, kurios Saulei neaktualios. Taigi, ji sukasi per lėtai, tuo kompromituodama šias pirmąsias evoliucines jos kilmės teorijas.

Kita teorijų grupė buvo paremta katastrofos įvaizdžiu. Buvo teigiama, kad susiformavusi ir evoliucionavusi įprastiniu būdu Saulė patyrė kokią tai katastrofą, po kurios ir susiformavo planetos. Pirmasis apie tai prabilo toks G. L. de Buffon, kuris dar 1745 teigė, kad planetos galėjo susidaryti praskrendant netoli Saulės kokiam tai masyviam kūnui, gal panašiam į kometą, bet daug didesniam. Dėl šio kūno sąveikos su Saule iš jos galėjo būti išplėštas dujų debesis, iš kurio vėliau ir susidarė planetos. Ši idėja buvo užmiršta iki dvidešimtojo amžiaus pradžios, kai problemos su lėtu

Saulės sukimusi privertė ieškoti alternatyvių evoliucinėms Saulės sistemos susidarymo teorijų. Kiek patobulinus pradinę idėją, buvo teigiama, kad praskristi šalia Saulės galėjo kita žvaigždė, o medžiaga iš jos vidaus galėjo būti išplėšta veikiant jėgoms, panašioms į tas, kurioms veikiant

Mėnulis Žemėje sukelia potvynius.

Silpnoji tokių teorijų vieta yra tame, kad toje Galaktikos vietoje, kurioje mes dabar esame, žvaigždės išsidėstę retai ir tokio įvykio tikimybė labai maža.

Gelbėti padėtį galima pasiūlius kitą scenarijų, pagal kurį Saulė susidarė kaip trijų žvaigždžių sistemos narys. Besivystydama tokia sistema galėjo suskilti į atskiras žvaigždes, ilgainiui nutolusias viena nuo kitos. Būtent jų išsiskyrimo momentu ir galėjo būti išplėšta medžiaga, iš kurios susidarė planetos. Tokia teorija lengvai paaiškina lėtą Saulės sukimąsi, bet atsiranda kitų problemų. Skaičiavimai parodė, kad medžiaga, išplėšta iš

Saulės dėl labai aukštos temperatūros linkusi greičiau išplisti ir išsiskirstyti erdvėje, negu kondensuotis į planetas. Be to, pesimistiškai nuteikia deuterio gausa planetose ir tarpplanetinėje erdvėje. Tai yra didelė šios teorijos problema, nes deuterio, kuris sunkiajame vandenyje pakeičia vandenilį, dėl vykstančių joje termobranduolinių reakcijų specifikos (tai galima lengvai suprasti pažvelgus į Pav. 10.2) beveik visai nėra Saulėje ir taip pat neturėtų būti bet kuriame darinyje, pagimdytame iš

Saulės medžiagos.

Dar viena, taip vadinama akrecijos teorija gimė 1940 metais. Jos autoriai buvo rusas O. J. Šmidt ir švedas H. Alfven. Jie išnagrinėjo hipotezę, paremtą tuo, kad susiformavus Saulei jos gravitacinis laukas pritraukė materiją iš kaimyninių tarpžvaigždinės erdvės sričių, o susidariusiame diske, kaip parodė C.F. von Weiczäcker, dėl įvairių dalių skirtingo sukimosi greičio gali susiformuoti besisukantys medžiagos gabalai, linkę tolti vienas nuo kito ir vėsdami sudaryti sferinius kūnus – planetas.

C.F.von Weiszäcker netgi išnagrinėjo, kaip tokių darinių dydis priklauso nuo atstumo nuo Saulės. Nemažai kitų tyrinėtojų, modeliavusių šį procesą, patvirtino hipotezę. Pasirodė, kad tikimybė tokiems dariniams besisukančiame diske susiformuoti yra pakankamai didelė, kad toks procesas galėtų vykti.

Problemos sprendimas įgavo realius kontūrus tik 1960 metais, kai atradus

Saulės vėją paaiškėjo, kad ji galėjo prarasti savo judesio kiekio momentą dėl nuolatinio dalelių spinduliavimo ir magnetinio lauko, kuris sukantis

Saulei irgi sukasi ir traukia paskui save šias daleles, o tai labai stabdo sukimąsi, kuris gali efektingai lėtėti panašiai kaip dėl trinties į ledą sulėtėja čiuožėjo sukimasis. Tai reabilituoja evoliucines teorijas, todėl galutinis, nusistovėjęs šiuo metu ir labiausiai įtikėtinas Saulės sistemos atsiradimo būdas turi daug minėtų evoliucinių teorijų elementų.

Šiuolaikinė planetų sistemų formavimosi teorija paremta hipoteze, kad planetų formavimasis neatsiejamas nuo pačios žvaigždės formavimosi proceso.

Kaip formuojasi pačios žvaigždės, galima netgi stebėti gerais teleskopais ir šiuo metu. Įtikėtina, kad Saulė susiformavo iš standartinio tarpžvaigždinės medžiagos debesies, sudaryto iš vandenilio ( 73% ), helio (

25% ) ir kai kurių kitų elementų dujų bei dulkių mišinio. Tokio debesies tankis yra tarp 10 ir 100 atomų į kubinį centimetrą. Tai yra labai mažai, netgi palyginus su Žemės atmosferos tankiu, kuris siekia 1019 molekulių į kubinį centimetrą. Toks debesis galėtų būti išplitęs dešimčių šviesos metų matmenų srityje.

Atsitiktinis sutankėjimas arba kokia išorinė perturbacija tokiose dujose gali būti pakankami sukelti gravitacines jėgas, įtraukiančias į šią sritį aplinkinę medžiagą. Nuo nuolatinio vis intensyvėjančio materijos pritekėjimo centre gali susiformuoti sritis, kurios tankis ir temperatūra nuolatos auga.

Auga taip pat jos magnetinio lauko stipris ir sukimosi kampinis greitis, nes dėl jau minėto judesio kiekio momento tvermės dėsnio debesies momentas niekur išnykti negali. Dėl šių priežasčių kolapso centro temperatūra išauga tiek, kad jame prasideda branduolinės reakcijos, ir užsidega nauja žvaigždė. Kaip minėta, tokie procesai yra stebimi ir dabar kai kuriose Galaktikos vietose, todėl tokia galimybė susiformuoti Saulei yra labai tikėtina.

Kaip tokio debesies viduje įsižiebus žvaigždei atsiranda planetos, yra žinoma kiek mažiau dar ir paprasčiausiai dėl tos priežasties, kad stebėti tokį procesą kokios nors kitos žvaigždės aplinkoje kol kas neįmanoma, ir galime vadovautis tik vieno galutinio produkto – jau susiformavusios Saulės sistemos – stebėjimais.

Skaičiavimai rodo, kad toks debesis dėl žvaigždės sukimosi, jos magnetinio lauko poveikio ir kitų efektų turi persitvarkyti į gana tankų plokščią diską, panašų į kai kurių planetų diskus. Jo išorinės sritys lieka pakankamai atvėsę, nes jose žvaigždės formavimosi efektai nepasireiškia. Toliau evoliucionuojant šiam diskui, pradeda atsirasti stambesni dariniai, vadinami planetoidais. Jos susidaro nuolatos susiduriant disko dalelėms.

Kadangi santykiniai tų dalelių greičiai (lygūs apytikriai 10 km/s) yra ne tokie dideli, kad susiduriančios dalelės sudužtų ir išsilakstytų, bet pakankami, kad susidūrimo metu jos suliptų, stambesniųjų darinių formavimosi procesas vyksta labai intensyviai, efektingai ir greitai. Paskaičiuota, kad gana stambūs planetoidai susidaro iš debesies per keletą tūkstančių metų.

Pav. 6.2. Susiformavęs planetarinis diskas.

Jų sukimosi kryptis turi sutapti su debesies sukimosi kryptimi, kas ir stebima Saulės sistemoje. Nedidelės išimtys, tokios kaip Venera ir Uranas, galėjo atsirasti dviems planetoidams susidūrus ne kaktomuša, o judant prieš susidūrimą kiek skirtingomis kryptimis. Akivaizdu, kad minėtas debesis negalėjo būti nei labai homogeniškas, nei labai izotropiškas. Dėl šių priežasčių, o taip pat dėl įvairaus nuotolio nuo Saulės, susidariusių planetų savybės yra tokios skirtingos. Manoma, kad Mėnulis atsirado susidūrus jaunai Žemei ir dideliam planetoidui.

Pav. 6.3. Žemės ir didelio planetoido susidūrimas.

Pav. 6.4. Tikėtinas Mėnulio susidarymo procesas.

Tokie susidūrimai netgi jau galutinai susiformavusioje Saulės sistemoje yra ne taip jau reti ir šiais laikais. Prieš keletą metų, pavyzdžiui, stebėtas

Šumeikerio – Levi kometos susidūrimas su Jupiteriu, planetose ir jų palydovuose matosi daugybė kraterių. Identifikuota nemažai katastrofų liekanų ir Žemėje, nors jos atmosfera, tekantis paviršiumi vanduo, apledėjimai ir žmogaus veikla ardo buvusius kraterius ir juos maskuoja. Vis tik galima drąsiai teigti, kad kai kurie gigantiški dariniai yra buvusių katastrofų liekanos. Pirmiausia tai galėtų būti didelė įduba po Antarktida, beveik 300 km diametro krateris Indijos vandenyne, 140 km diametro įduba

Kanadoje, ne mažiau kaip trys 100 km diametro krateriai Pietų Afrikoje ir

Amerikoje bei daugelis mažesnių. Vėstant pagimdžiusiam Saulę ir planetas debesiui ši veikla silpsta, globalinių katastrofų tikimybė mažėja, tačiau nuliui ji niekada nebus lygi.

Manoma, kad toks planetų sistemų formavimosi mechanizmas buvo ir yra labai populiarus Visatoje ir plačiausiai vyksta netgi šiuo metu. Stebimos žvaigždės su besiformuojančiu arba jau susiformavusiu priešplanetiniu disku. Spaudoje nuolatos pasirodo pranešimai, kad planetų sistemos aptinkamos beveik visose palyginti netolimose žvaigždėse, nutolusiose nuo

Žemės atstumais, kuriuose tas sistemas dar galima aptikti.

Išdėstytas planetų susidarymo scenarijus neprieštarauja stebimoms Saulės sistemos savybėms ir, jei kur nors netikslus, tai tik detalėse, kurios yra nuolatos patikslinamos.

Kas likę šiuo metu iš to debesies, kame juda planetos, kas yra tas Saulės vėjas – štai klausimai, kuriuos mums leika išsiaiškinti prieš baigiant pokalbį apie Saulės sistemą.

Šiuo metu iš debesies belikę tik liekanos, kurių tankis ne didesnis kaip 1

atomas į kubinį centimetrą (tai yra toks vakuumas, apie kurį fizikai Žemės laboratorijose gali tik svajoti), bet tarpplanetinė erdvė buvusio disko srityje ir jos aplinkoje, tai yra netoli Ekliptikos plokštumos, yra prisipildžiusi dulkių, susidariusių įvairių skraidančių objektų susidūrimų ir irimo procese. Šių dulkių dalelių charakteringos matmenys sudaro apie vieną mikroną, jos gali būti netiesiogiai stebimos sklindant per dulkes

Saulės šviesai, nes tokioje dispersinėje aplinkoje ji yra efektingai sklaidoma. Vienas tokių reiškinių yra Zodiako šviesa. Ji matoma kaip silpnas nakties dangaus švytėjimas tose Zodiako juostos srityse, kurios yra apie Saulę, todėl gali būti stebimas vakaruose Saulei nusileidus ir rytuose prieš jai patekant. Palankiausias stebėjimo laikas – maždaug valanda po saulėlydžio ir tiek pat – prieš saulėtekį. Priešingoje Saulei dangaus srityje tuo pat metu gali būti pastebimas vėlgi kiek didesnis skaistis.

Tai yra taip vadinama atošvaistė. Geriausiai šie reiškiniai matomi Žemės atogražų juostoje. Šios dulkės ne tik taip gražiai atspindi Saulės šviesą;

jos nuolatos krenta į Žemę, kasdien pridėdamos prie jos masės apie aštuonias tonas.

Yra dar ir kitokios prigimties dujų, užpildančių visą tarpžvaigždinę erdvę.

Šios dujos dėl Saulės judėjimo orbita apie Galaktikos centrą juda mūsų atžvilgiu maždaug 20 km/s greičiu. Tai yra fiksuota ir stebima nuo 1970

metų pagal sudarančių šias dujas vandenilio ir helio atomų ultravioletinį spinduliavimą.

Bene paskutinis, bet irgi labai įdomus reiškinys yra nuolatos „pučiantis”

pro Žemę Saulės vėjas. Tai yra elektringos dalelės – protonai, elektronai, helio atomo branduoliai (alfa-dalelės) – susidarančios “degant” Saulei ir nuolatos iš jos išlekiančios į visas puses. Dėl šio spinduliavimo Saulės masė kasmet sumažėja apie 1013 tonų. Saulės judesio kiekio momentas mažėja būtent dėl to, kad jos magnetinis laukas suka šias daleles ratu ir tuo pačiu sukelia sukimosi energijos, o tuo pačiu ir kampinio greičio sumažėjimą. Šio vėjo greitis prie Žemės siekia 300-400 km/s.

Pav. 6.5. Saulės vėjo poveikis Žemės magnetosferai.

Aktyvios Saulės laikotarpiais jo šuorų greitis žymiai padidėja ir gali pasiekti netgi 800 – 900 km per sekundę reikšmes. Daug galima kalbėti apie jo prigimtį ir savybes. Paminėsiu tik, kad jis pasireiškia nulenkdamas kometų uodegas nuo Saulės ir sukeldamos polines pašvaistes, tai yra aukštutinių atmosferos dalių švytėjimą. Taip atsitinka dėl Saulės vėjo dalelių susidūrimų su atmosferos dujų atomais ir molekulėmis. Pašvaistės švyti 80-300 km aukštyje, todėl didelio Saulės aktyvumo laikotarpiais gali būti matomos ne tik polių srityse, bet ir vidutinėse platumose, tai yra taip pat ir Lietuvoje.

Pav. 6.6. Pašvaistė.

Taigi, pati Saulė, o ir jos sistema, palaipsniui bręsta, rimsta, susiguli ir sensta. Planetos ir kiti kūnai jau yra pilnai susiformavę, visokių sistemos objektų susidūrimai darosi vis retesni ir retesni, taigi ir gyvenimas Žemėje tampa vis saugesnis ir saugesnis. Gana patikimi įvertinimai rodo, kad Saulėje tokios kaip dabar termobranduolinės reakcijos vyks dar kokius penkis milijardus metų, tai yra maždaug tiek pat laiko, kiek yra praėję nuo jos gimimo. To laiko turėtų visai pakakti gyvybei, jei ji vis dar čia bus, taip išsivystyti, kad ir ši paskutinė katastrofa turėtų nesukelti jokių problemų.

Klausimai

1. Kokia Saulės sistemos susidarymo teorija yra priimta šiuo metu?

2. Kas tai yra Saulės vėjas?

3. Į kurią pusę Saulės atžvilgiu yra nukreipta didžiausia matomoji kometos uodega? Kodėl?

4. Saulės amžius (milijardais metų).

5. Saulės judėjimo orbitoje greitis (kilometrais per sekundę):

6. Kiek apytikriai kartų Saulė per savo gyvavimo laiką galėjo apsisukti apie Galaktikos centrą?

7. Kas tai yra planetoidas?

8. Kokia įtikinamiausia Mėnulio susidarymo teorija?

9. Kas tai yra Zodiako šviesa?

10. Koks Saulės vėjo vidutinis greitis prie Žemės (kilometrais per sekundę)?

11. Kiek laiko dar gali degti Saulė?

7. Ką senovės išminčiai žinojo apie kosmosą ir kaip tos žinios buvo sukauptos?

Pats svarbiausias Visatos objektas mums yra Žemė. Gerai visiems žinoma, kaip ji atrodo ir kokio dydžio yra, tačiau vargu ar kiekvienas jūsų žino, kaip ir kada buvo įrodyta, kad ji apvali ir kam lygus jos spindulys.

Dar 340 BC Aristotelis savo knygoje „Apie dangų” pateikė svarių argumentų, kad Žemė yra ne plokščia kaip lėkštė, o apvali kaip rutulys. Pirmiausia, jis susigaudė, kad Mėnulio užtemimai įvyksta tada, kai Žemė atsiduria tarp

Mėnulio ir Saulės ir jos šešėlis užkloja Mėnulį. Stebint šiuos užtemimus, šešėlio kraštas, slenkantis Mėnulio paviršiumi, visada būdavo apvalus. Jei

Žemė būtų paplokščia, šešėlis dažniausiai turėtų atrodyti kaip ištęstas elipsis. Antra, stebint nuo kranto atplaukiantį laivą, iš pradžių pasirodo jo burės, po to stiebai, ir tik po to pats laivas. Galų gale, graikai daug plaukiojo jūromis ir buvo pastebėję, kad Šiaurinė žvaigždė, plaukiant tolyn į pietus, leidžiasi žemyn, tai yra artėja prie horizonto. Kaip nesunkiai galime suprasti, šis reiškinys irgi byloja apie Žemės sferiškumą.

Pagal kampo, kuriuo matoma Šiaurinė žvaigždė, pasikeitimą Aristotelis įvertino Žemės spindulį. Rezultatas tik apie 60 procentų viršijo tikslų, žinomą šiuo metu. Tiksliau (10-20 procentų tikslumu) Žemės spindulį paskaičiavo Eratostenas (276-195 BC).

Senoje (Egipto mieste, kuris šiuo metu yra apsemtas vandens pastačius Asuano užtvanką) jis pastebėjo, kad keletą dienų metuose Saulės spinduliai pilnai apšviečia vieno gilaus šulinio dugną. Atsitiktinai būdamas kitais metais Aleksandrijoje, uoste prie Viduržemio jūros, jis pastebėjo, kad ten buvęs aukštas stulpas tuo pačiu metu turi pakankamai pastebimą šešėlį. Jei Žemė būtų plokščia, jo būti neturėtų.

Pagal žinomą stulpo aukštį ir jo šešėlio ilgį (kampas buvo maždaug lygus 7.2 laipsniams, tai yra maždaug 1/50 nuo 360 laipsnių) galima nesunkiai suskaičiuoti Žemės pusiaujo apskritimo ilgį, o padalinę jį iš 2(, surasti ir Žemės spindulį.

Čia remiamasi tuo akivaizdžiu faktu, kad Saulė yra pakankamai toli, ir jos spinduliai yra praktiškai lygiagretūs abiejuose miestuose, nutolusiuose vienas nuo kito apie 800 kilometrų (50 x 800 km=40

000 km).

Pav. 7.1. Eratosteno samprotavimų schema.

Žinodami Žemės spindulį ir tai, kad ji pilną apsisukimą apie savo ašį padaro per vieną parą, galime nesunkiai paskaičiuoti jos paviršiaus taškų judėjimo greitį. Tas greitis, kaip prisimename, pasirodo gana didelis, bet jo sukeliama išcentrinė jėga pasirodo labai nedidelė palyginus su jėga, kuria kūnus traukia Žemė, neleisdama jiems paprasčiausiai nuskristi į erdvę. Jei planetos masė būtų daug mažesnė, o para – trumpesnė, šis sukimasis sukeltų visokių problemų.

Arčiausiai Žemės skrieja Mėnulis, taigi pirmiausia reikia pabandyti išsiaiškinti, kokio dydžio ir kaip toli jis yra nuo Žemės. Pasirodo, ir šiuos parametrus galima išmatuoti bei suskaičiuoti nesinaudojant beveik jokia aparatūra.

Žinodami Žemės paviršiaus taškų judėjimo greitį, galime nesunkiai nustatyti

Mėnulio judėjimo orbitoje greitį, nes virš galvos visada yra praktiškai nejudančios žvaigždės, šviesa iš kurių į Žemę dėl didelio nuotolio krenta beveik lygiagretėmis tiesėmis. Belieka tik dviems stebėtojams suderinti laikrodžius, susitarti, kokios žvaigždės atžvilgiu bus fiksuojamas Mėnulio judėjimas, ir pasiruošti stebėjimui dviejuose taškuose, nutolusiuose išilgai lygiagretės vienas nuo kito atstumu s. Pradedant šį matavimą reikia prisiminti, kad Mėnulis, kaip dauguma Saulės sistemos kūnų, juda, stebint iš Žemės šiaurinio pusrutulio pusės, prieš laikrodžio rodyklę. Taigi, jei

Žemė, kaip Mėnulis į Žemę, būtų atkreipta į Saulę visą laiką ta pačia puse, para būtų lygi metams, Saulė arba būtų visai nematoma, arba visą laiką “kabotų” tame pačiame taške, o Mėnulis labai lėtai judėtų iš vakarų į rytus.

Deja, Žemė sukasi labai greitai, todėl ir Saulė, ir Mėnulis atrodo skriejantys iš rytų į vakarus, tik Mėnulis – kiek lėčiau, nes jis savo orbita juda į priešingą pusę. Kai Mėnulio kraštas pradės kloti susitartą žvaigždę, vakarų pusėje esančiam stebėtojui tai atsitiks laiko momentu tV, o esantis rytuose tai stebės kiek vėliau – momentu tR. Jei Žemės paviršiaus judėjimo greitį stebėjimo lygiagretėje pažymėsime vo , tai Mėnulio judėjimo orbita ir Žemės paviršiaus taškų judėjimo greičių skirtumas bus lygus

vm – vo = s / (tR – tV).

Įstačius konkrečius dydžius, nesunkiai gautume, kad vm apytikriai lygus

1023 m/s arba 3690 km/h. Taigi, Mėnulio šešėlis pusiaujuje juda 3690-

1670=2020 km/h greičiu, nes iš gautos reikšmės reikia atimti Žemės paviršiaus taškų pusiaujuje judėjimo greitį.

Pav. 7.2. Mėnulio stebėjimų schema.

Žinodami Mėnulio judėjimo savo orbitoje greitį nesunkiai surandame, kad per savo metus (T = 27.3 paros) jis nuskrieja atstumą, lygų 2(r, kur r žymi atstumą nuo Žemės iki Mėnulio, o jo greitis orbitoje, kurį ką tik suradome, lygus to atstumo ir T santykiui. Iš šio sąryšio galime surasti atstumą iki

Mėnulio; jis lygus r = vm T / 2(.

Mėnulio diametrą dabar jau galime surasti ne mažiau kaip dviems būdais.

Pirmiausia, galima užfiksuoti du laiko momentus – pirmąjį, kai Mėnulio kraštas pradeda dengti konkrečią žvaigždę, ir antrąjį, kai ta žvaigždė vėl tampa matoma. Per išmatuotą laiką Mėnulis nuskrenda atstumą, lygų savo diametrui, taigi žinodami jo ir Žemės paviršiaus taškų greičio skirtumą tą diametrą galime nesunkiai surasti.

Aristarchas (3 amžius BC) šią problemą išsprendė kiek kitaip, pagal Mėnulio užtemimų trukmę (užtemimas trunka tiek laiko, kiek reikia Mėnuliui nuskrieti orbita atstumą, lygų jo diametrui) ir elementarų iš brėžinėlio sekantį ryšį, kad kampas, kuriuo iš Mėnulio matoma Žemė, apytikriai lygus kampų, kuriais iš Žemės matoma Saulė ir Mėnulis, sumai.

Atstumą nuo Saulės iki Žemės galime surasti pamatavę kampą, kuriuo iš Žemės matosi Mėnulis tuo momentu, kai Saulė apšviečia lygiai pusę jo, tai yra kai

Mėnulio šešėlio kraštas lygus jo diametrui. Šis kampas pasirodo lygus 89o

51′ . Stačiajame trikampyje, kurio vienas smailusis kampas yra žinomas, nesunku pagal vieną žinomą statinį (atstumą nuo Žemės iki Mėnulio) surasti kitą statinį, kuris būtent ir lygus atstumui nuo Žemės iki Saulės.

Pav. 7.3. Atstumo nuo Žemės iki Saulės matavimas.

Saulės diametrą galima nesunkiai surasti žinant Mėnulio diametrą ir abu atstumus (nuo Žemės iki Mėnulio ir nuo Žemės iki Saulės) bei pasinaudojant tuo faktu, kad Saulės užtemimo metu Mėnulis pilnai ją uždengia, kas reiškia, kad jie abu matomi beveik tuo pačiu kampu.

Atstumų iki planetų matavimas jau yra sudėtingesnis, tačiau pirmasis tikslus matavimas, paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC )

idėja, tikrai vertas čia paminėti. Idėjos esmę sudaro vadinamasis trianguliacijos metodas. Tarkime, jūs norite išmatuoti upės plotį nepersikeldamas per ją. Tam užtenka susirasti kokį nors orientyrą kitoje pusėje, ir po to eiti išilgai upės tol, kol krypties į orientyrą kitoje upės pusėje kampas netaps lygus 45 laipsniams. Toliau netgi nereikalinga trigonometrija, nes upės plotis tokiu atveju tiesiog lygus nueitam atstumui, vadinamam baze.

Pav. 7.4. Upės pločio matavimas per ją nepersikeliant.

Lengva šį metodą ir patobulinti. Jei upė labai plati, galima toli ir nevaikščioti, pasinaudoti mažesne baze, bet tiksliau išmatuoti kampą į orientyrą. Kadangi trikampis vėl status, upės plotį galima rasti arba iš panašių trikampių, arba pasinaudojus trigonometrija.

Turbūt supratote, kad nuo bazės dydžio labai priklauso tokių matavimų tikslumas. Gautas rezultatas bus tuo tikslesnis, kuo didesnė pasirinkta bazė, kuri, kaip minėta, turi būti palyginama su upės pločiu. Čia ir yra pagrindinė problema matuojant atstumus iki planetų, nes jie sudaro milijonus kilometrų, o Žemės diametras, tai yra mūsų bazė, – tik 13 tūkstančių kilometrų. Kaip ten bebūtų, jau Aristarchas daugiau ar mažiau tiksliai žinojo atstumus iki penkių pagrindinių planetų.

Bersivystant kampų matavimo technikai, ilgainiui metodas buvo ištobulintas, ir galutinai tikslus atstumas iki Marso buvo išmatuotas 1672 metais dviejų prancūzų – Teams ir Cayenne, kurių pirmasis Paryžiuje, o antrasis –

Gvianoje tuo pačiu metu išmatavo šiuos kampus. Šis vienas matavimas leido tiksliai nustatyti visų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius, nes, kaip matome iš 2 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo ir apsisukimo periodo kvadrato santykis yra toks pat.

Pav. 7.5. Teams ir Cayenne atstumo iki Marso matavimo schema.

Saulės ir Žemės mases jau suradome ketvirtojoje paskaitoje. Planetų mases galima suskaičiuoti žinant jų palydovų orbitų parametrus.

Taigi, elementarūs matavimai Saulės sistemoje nėra tokie jau sudėtingi ir buvo atliekami prieš daugelį metų, nesinaudojant beveik jokia technika.

Iki šiol kalbėjome tik apie astronomijos žinias, kurios be abejo yra įdomios patiems astronomams ir padeda giliau pažinti gamtą ir suprasti vykstančius aplinkui reiškinius.

Deja, vien tik tuo astronomijos reikšmė toli gražu niekada neapsiribojo.

Šis žinojimas visada atnešdavo apčiuopiamą ir praktiniame gyvenime naudą.

Pirmoji, nuo senų senovės iš astronomijos žinių gaunama nauda yra galimybė orientuotis keliaujant ar plaukiant laivu. Šiaurinė žvaigždė visada rodo kryptį į šiaurę, o jos aukštis virš horizonto – nutolimą nuo poliaus ar pusiaujo. Pagal Saulės ir Mėnulio padėtis kokiu nors laiko momentu savo koordinates galima nustatyti dar tiksliau, žinoma, jei yra gerai suprastas visų šių kūnų ir Žemės tarpusavio judėjimo pobūdis.

Antroji aktuali praktinio astronomijos žinių pritaikymo sritis yra galimybė orientuotis ne tik erdvėje, bet ir laike. Tai yra kalendorius. Lotyniškai šis žodis reiškia skolų knygą, kurioje kalendomis buvo vadinami procentų mokėjimo terminai. Dar ir dabar įvairios tautos naudoja įvairius kalendorius, užsilikusius dėl įvairių prietarų ir tradicijų. Žydų ortodoksai, suskaičiavę pagal Senąjį testamentą, kada dievas sukūrė Žemę (“tikslus” rezultatas mūsų kalendoriuje yra minus 3761 metai), nuo to momento būtent ir skaičiuoja metus. Žymiai modernesnė buvo, o ir šiuo metu yra, taip vadinama Saulės metų samprata, atsiradusi maždaug prieš keturis tūkstančius metų Egipte. Ji paremta tuo, kad metai turi 365 dienas.

Paprastumo dėlei jie buvo dalijami į 12 mėnesių, kiekvienas kurių turėjo po

30 dienų, o penkios likę dienos metų gale būdavo išeiginės. Kodėl metai būdavo dalinami į dvylika mėnesių? Yra keleta to skaičiaus aiškinimo variantų, bet pats panašiausias yra tas, kad tai vis tik susiję su Mėnulio fazių kaita, labai lengvai matoma iš Žemės. Tikriausiai, ne to suskirstymo priežastis, o tik pasekmė yra ir dvylika Zodiako žvaigždynų.

Taigi, kuo blogas buvo Egiptiečių kalendorius, kad ilgainiui jį prireikė pakeisti? Visų kalendorių atsiradimo priežastis, jų pranašumus ir trūkumus lengviausiai galime suvokti išsiaiškinę vieno skaičiaus, lygaus 365.2422, prasmę. Šis skaičius rodo, kiek parų, kiekviena po 24 valandas, reikia

Saulei praeiti per du artimiausiuosius pavasario lygiadienio taškus, tai yra, kiek parų trunka Žemės pilna kelionė apie Saulę, vadinama metais.

Dabar jau nesunku išsiaiškinti, kuo blogas Egiptiečių kalendorius.

Skaičiuojant metus taip, kaip jie, kasmet lieka neįskaityta 0.2422 paros, tai yra 5 valandos, 48 minutės ir 46 sekundės. Per keturis metus susikaupia beveik para, o tiksliau sakant – 23 valandos, 15 minučių ir 4 sekundės.

Jei nieko nekoreguoti, ilgainiui Naujųjų metų diena iš žiemos gali persikelti į vasarą ir taip toliau klajoti. Matyt, tai kažkiek trikdė, ir ilgainiui pribrendo reikalas ką nors daryti.

Alternatyvos korekcijai buvo bent jau dvi – pirmiausia, jie kas ketveri metai galėdavo pridėti dar po vieną išeiginę dieną, tai yra vietoje penkių turėti šešias atostogų dienas metų gale, ir ta problema būtų buvusi beveik išspręsta.

Antroji alternatyva, kurią Julijaus Cezario palieptas realizavo astronomas Sozigenas, buvo ta, kuri galioja ir dabar, kai kas ketveri metai prie vasario mėnesio pridedama viena diena, ir jie tampa keliamaisiais. Sozigenas Cezario pavedimą atliko itin kruopščiai. Pirmiausia jis metus suskaičiavo nuo Romos įkūrimo, tai yra nuo minus 753-ųjų metų. Kadangi reforma buvo įvesta minus 46-aisiais metais, pasirodė, kad senoviškai skaičiuojant metus “pražiopsota” beveik 90

dienų, kurios ir buvo pridėtos prie reformos metų. Taigi, minus 46-ieji metai turėjo 445 dienas, bet pagaliau viskas susitvarkė. Krikščionių bažnyčia priėmė šį kalendorių 325 metais.

Ar tikrai viskas?

Ne, nes taip skaičiuojant kiekvieni metai tampa lygūs 365.25 paros, tai yra kiek daugiau negu reikia. Kasmet šis paskubėjimas sudaro 11 minučių ir 14

sekundžių, tai yra per tuos ketverius metus susikaupia ne tiek jau mažai –

44 minutės ir 56 sekundės. Per keturis šimtus metų tai sudaro maždaug tris dienas. Tiek tie keturi šimtai metų turi sutrumpėti. Sprendimą surado vėlgi astronomai, bet kadangi tai buvo popiežiaus Grigaliaus XIII valdymo metais, visi reformos nuopelnai, kaip įprasta, buvo priskirti jam. Ta reforma, vadinamasis Grigaliaus kalendorius, buvo priimta 1582 metais. Jos esmė ta, kad keliamaisiais iš visų metų, kurių numeris baigiasi dviem nuliais, buvo palikti tik tie, kurių numeris dalijasi be liekanos iš 400. Tai reiškė, pavyzdžiui, kad 1700-ieji, 1800-ieji ir 1900-ieji metai nebuvo keliamieji, o 2000-ieji jau buvo tokie. Čia vėl neapsieita be korekcijų, kadangi nuo

325-ųjų iki 1582-ųjų metų susikaupė dešimties dienų paklaida, kurią buvo nutarta kompensuoti. Reformos įvedimo metais po spalio penktosios dienos ėjo spalio penkioliktoji.

Lietuvoje Grigaliaus kalendorius priimtas nuo 1586, o Rusijoje – tik nuo

1918 metų, todėl susikaupęs skirtumas dabar sudaro trylika parų. Iki tos reformos Kauno senamiestyje ir dabar esantis Vytauto Didžiojo tiltas per

Nemuną buvo pats “ilgiausias” pasaulyje, nes jį pervažiavus reikėdavo prie datos pridėti arba iš jos atimti beveik dvi savaites. Tai atsispindi dar ir dabartinėse rusiškose tradicijose švęsti Kalėdas dviem savaitėmis vėliau, nei pas mus. Tradicija pernešama ir į Naujuosius metus, taigi kai kurie rusai turi progą sausio tryliktąją sutikti dar ir taip vadinamus “senuosius naujuosius metus”.

Po Grigaliaus reformos metai tapo lygūs 365.2425 paros. Tai vis dar ne reikiamas anksčiau paminėtas tikslus skaičius, bet vienos dienos paklaida dabar jau susikaupia tik po 3280 metų, ir ją kompensuoti nėra aktualu, todėl niekas dar tos problemos net nebando spręsti.

Klausimai

1. Kam reikalingi keliamieji metai?

2. Ar šie metai yra keliamieji? Kodėl?

3. Ar 2000-ieji buvo keliamieji metai, ar ne? Kodėl?

4. Pateikite keletą paprasčiausių samprotavimų, kad Žemė yra apvali.

5. Kaip paprastai išmatuoti Žemės spindulį?

6. Kaip nustatyti upės plotį per ją nebrendant?

7. Kaip išmatuoti didelio namo aukštį nelipant ant namo stogo?

8. Kaip nustatyti Saulės, Mėnulio ar kokios planetos diametrą, jei žinomas atstumas iki jos?

8. Šviesa, materija ir energija

Šviesa visada buvo ir dabar dar yra pagrindinis informacijos nešėjas

Visatoje. Kaip žinote, ji yra ne vieniša – šviesos greičiu juda bei informaciją perduoda taip pat ir kitos elektromagnetinės bangos, kurios nuo matomosios šviesos skiriasi tik dažniu. Tai yra ir radijo bangos, ir infraraudonieji, ir ultravioletiniai, ir rentgeno bei gama spinduliai.

Pav. 8.1. Elektromagnetinių bangų ilgiai.

Mažą plotelį šiame „meniu” užima matomieji spinduliai, tačiau jų vertė neįkainojama, nes juos galima pamatyti akimi. Kitų bangų fiksavimui reikalinga speciali aparatūra. Tiksliau pasakius, jeigu elektromagnetinė banga nematoma akimi, tai dar nereiškia, kad jos nefiksuoja kiti organai.

Žinome, pavyzdžiui, kad veikiant ultravioletiniam spinduliavimui, oda paruduoja, infraraudonosios bangos jaučiamos kaip šiluma, ilgalaikis buvimas intensyviame radijo bangų lauke, nors tiesiogiai nejaučiamas, ilgainiui gali tapti kenksmingas sveikatai. Galų gale visi turbūt girdėjote, kokį pražūtingą poveikį buvusiems Černobilyje iš karto po atominės elektrinės avarijos 1986 metais padarė gautos didelės gama spinduliavimo dozės. Drąsiai galima pasakyti, kad žmogaus kūnas vienaip ar kitaip reaguoja į labai plataus palyginus su matoma šviesa diapazono elektromagnetines bangas. Problema yra tik tame, kad netgi jautriausias organas – akis – fiksuoja tik labai nedaug ir tik matomos šviesos savybių.

Tai yra tik jos intensyvumas (šviesa ryški ar ne) ir dažnis (mėlyna, geltona ar kitokia spalva). Visa kita informacija, nešama šviesos, akimi neužfiksuojama, tuo tarpu aparatais stebint šviesą galima nustatyti ne tik ją išspinduliavusio kūno sudėtį ir dar kai kurias kitas savybes, bet ir sužinoti kai ką apie aplinką, kuria šviesa sklido prieš pasiekdama imtuvą.

Kitų dažnių elektromagnetiniai spinduliai tokios informacijos neša dar daugiau. Įsivaizduokite tik, kiek garsų girdite įjungę radio aparatą arba kiek vaizdų matote televizoriaus ekrane. Visa tai perneša elektromagnetinės bangos, išspinduliuotos žmogaus protu ir rankomis sukurtų aparatų.

Žmonės labai seniai domisi, kas gi yra ta šviesa, iš kur ji atsiranda ir kodėl matome daiktus. Hipokratas ir Aristotelis buvo suformulavę požiūrį, kad akis pati spinduliuoja kažkokius spindulių pluoštelius, kuriais mes tarsi liečiame daiktus ir todėl juos matome. Galima įsivaizduoti, kad jei jie būtų nusprendę daryti kokius nors eksperimentus, būtų tekę tyrinėti, kokie spinduliai eina iš akių. Gal būt, tokiu atveju jie greitai būtų supratę, kad ne akis, o matomi daiktai spinduliuoja šviesą, tačiau eksperimentai jų metodologijoje nebuvo numatyti… Visas graikų „žinias”

apie regėjimą buvo susumavęs toks Galenas, gyvenęs antrajame amžiuje, ir tos idėjos gyvavo apie 15 amžių, panašiai kaip ir Ptolemėjaus sferų sistema. Galeno teorija buvo jau žymiai moksliškesnė ta prasme, kad buvo aiškinama tų spindulių kilmė. Buvo teigiama, kad jie gaminami smegenyse, po to optiniu nervu pasiekia akį, kur paverčiami „matymo dvasia”. Akies lęšis buvo reikalingas tam galutiniam produktui pasiųsti į išorę. Norint galima išsamprotauti, kad tai yra pirmasis radaro aprašymas, o tuo pačiu ir jo išradimas.

Leonardo da Vinči tik kiek modifikavo šį požiūrį, įvesdamas dar ir spindulius, atsispindėjusius nuo daiktų. Tik Kepleris ir Dekartas, suvokę, kaip lęšiuose formuojasi vaizdai, suprato, kad panašų vaidmenį gali vaidinti ir akies lęšiukas, projektuodamas matomų daiktų atvaizdus į raginę. Teisingą požiūrį į šviesą ir matymą suformulavo galų gale tik fizikai Niutonas ir Hiuigensas, eksperimentavę su tiriamais objektais.

Pasirodė, kad matymas paremtas kažko tai persiuntimu nuo daikto į akį. Nors abu jie daugiau domėjosi to „kažko”, tai yra šviesos, savybėmis, Niutonas vis tik drįso susamprotauti, kad daiktai neturi spalvų – jos atsiranda tik paties proceso, tai yra matymo, metu.

Būtent Niutonui pirmajam ir atrodė, kad šviesą sudaro kažkokių dalelių srautas, tuo tarpu Hiuigensas neabejotinai įrodė, kad šviesa – tai bangos, turinčios charakteringą ilgį, dažnį ir kitas bangų charakteristikas.

Vienintelė problema buvo tik ta, kad bangoms plisti reikalinga tam tikra aplinka, o tai, kad mes matome žvaigždes, reiškia, kad šviesos bangos gali plisti ir ten, kur jokios aplinkos nėra, tai yra vakuume. Niutono požiūris tą problemą apeina, bet atsiranda daug kitų. Visai neaišku, kaip dalelių srautas gali turėti bangų savybes, tokias kaip dažnis, bangos ilgis, interferencija, difrakcija ir panašiai, kurias neabejotinai turi šviesa.

Šiuo metu yra vienareikšmiškai eksperimentiškai ir teoriškai nustatyta, kad šviesa ir visos kitos elektromagnetinės bangos yra ne kas kita kaip vienų paslaptingiausių elementariųjų dalelių – fotonų – srautai. Fotonas egzistuoja tik judėdamas, nes parimusio fotono masė lygi nuliui ir jo aptikti neįmanoma. Juda fotonas tik šviesos, o ne kokiu nors kitokiu greičiu. Fotonai yra labai skirtingi. Nors fotono savybės apibrėžiamos tik vienu pagrindiniu parametru – dažniu, tačiau šio parametro kitimo diapazonas yra nepaprastai platus, praktiškai begalinis, ir tai sąlygoja jų įvairovę. Kitos fotono charakteristikos – energija ir bangos ilgis – yra išreiškiamos per jo dažnį Planko formulėmis

E = h ( ir ( = c / ( , todėl

E = h c / ( .

Čia h = 6.63 · 10 -34 J·s yra Planko konstanta, o c = 3 · 10 8 m / s –

šviesos greitis. Paskutinioji formulė pati patogiausia, nes bangos ilgį, matuojamą metrais arba metro dalimis, lengviausia įsivaizduoti ir suvokti.

Paminėsiu tik, kad matomosios šviesos fotonų dažniai yra apie 1014 Hz, o bangos ilgiai sudaro nuo 400 iki 700 nm, tai yra nanometrų – milijardinių

( lygių 10-9 ) metro dalių. Trumpiausių, o tuo pačiu galingiausių gama spindulių bangų ilgiai gali būti lygūs 10-16 ir mažiau metrų, o ilgiausių –

ilgųjų radijo bangų – būti lygūs tūkstančiams ar netgi milijonams metrų.

Koks fotonų ryšys su bangomis, iš kur jie atsiranda ir kur pradingsta, pakliuvę, tarkime, į akį – štai klausimai, į kuriuos reikia atsakyti prieš kalbant apie pasiekiančius mus Visatos spindulius ir jų atnešamą informaciją.

Tarkime, turime kokios nors energijos (bangos ilgio) fotoną. Kol jis skrieja vakuume, tikimybė susidurti su kokiu nors atomu labai maža, nes tarpžvaigždinėje erdvėje, kaip matėme, atomų tankis labai mažas.

Vis tik, nors atomų tankis mažas, iš milžiniško kiekio fotonų, kuriuos kas sekundę spinduliuoja deganti žvaigždė, vienas kitas su tokiu atomu pakeliui į Žemę vis tik susiduria. Tai dar nieko nereiškia – konkretus atomas sugeria ne bet kokius fotonus, o tik turinčius tam tikras, tam atomui tinkamas, energijas.

Turbūt visi puikiai žinote, kad nudegti saulėje sėdint už uždaro lango neįmanoma, nes stiklas, permatomas regimiesiems spinduliams, sugeria ultravioletinius. Šiuo reiškiniu yra naudojamasi šildant maistą mikrobangų krosnelėje. Kaip tik mikrobangas gerai sugeria vandens, esančio maiste, molekulės, gi kai kurios kitos medžiagos (išskyrus metalus), iš kurių ir gaminami specialūs toms krosnelėms skirti indai, joms yra permatomos.

Trumpai tariant, jei fotono energija pasirodo per maža sužadinti atomus, ta aplinka jam tampa permatoma, tai yra jis juda joje lyg tai aplinkui nieko nebūtų.

Tarkime, tiko ir energija. Tokiu atveju tas fotonas pražūva. Tai neturėtų būti keista, nes to fotono kaip ir nebuvo, kadangi jo rimties masė visada, nepriklausomai nuo energijos, lygi nuliui. Lieka iš fotono tik jo nešta energija, – ji niekur dingti negali, todėl perduodama tam atomui. Priimta sakyti, kad tokiu atveju atomas susižadina. Atomo energija, kaip matėme, negali padidėti bet kaip, tai yra susižadinti nuo bet kokios mažos energijos fotono jis negali. Galimi tik šuoliai į tam tikras sužadintas būsenas.

Pav. 8.2. Atomo sužadintų būsenų schema ir atitinkamas spektras.

Tokių sužadintų būsenų kiekvienas atomas turi daug. Sugėręs fotoną atomas peršoka į vieną tų būsenų, tai vadinasi jo absorbciniu spektru. Grįždamas po kiek laiko į žemesnę būseną jis gali išspinduliuoti fotoną, taip atsiranda emisinis to atomo spektras. Skirtingų atomų spektrai yra skirtingi.

Juos galima registruoti specialiais aparatais – spektroskopais arba teoriškai apskaičiuoti, naudojantis kvantine mechanika. Neutralaus atomo spektro energijos turi viršutinę ribą, tai yra jis tarsi pasibaigia prie tam tikros energijos.

Fotonai, kurių energijos kiek didesnės už šią, susidūrę su tokiu atomu, gali taip jį sužadinti, kad iš jo išlekia elektronas, ir atomas tampa jonu, kurio spektras visiškai skiriasi nuo pradinio atomo spektro. Dar keliant fotono energiją galima pasiekti ribą, kai išplėšiamas antras elektronas (gauname du kart jonizuotą atomą) ir taip toliau, kol prie branduolio iš viso nelieka elektronų.

Plėšiant vidinius elektronus, jau reikalingi Rentgeno spinduliai. Dar didesnės energijos fotonai, vadinami gama kvantai, jau geba žadinti atomo branduolį. Atomų terpė jiems vėl, kaip ir itin žemų energijų fotonams, paprasčiausiai permatoma.

Grįžkime prie normalių atvejų. Susižadinęs atomas ilgai neišbūna. Maždaug po vienos milijardinės sekundės dalies jis turi kam nors tą sužadinimo energiją perduoti. Jei šalia yra daug kitokių atomų, energija jiems susidūrinėjant gali pasiskirstyti ir pavirsti kinetine jų energija, tai yra padidinti jų judėjimo greitį. Atomų arba molekulių judėjimo greitis proporcingas jų temperatūrai, todėl aprašytas procesas yra paprasčiausias apšviestos medžiagos šilimas. Dėl tokių procesų dieną palyginus su naktimi pakyla oro ir vandens temperatūra, ištirpsta ledai ir gali vykti potvyniai, kuriems Mėnulis įtakos neturi.

Jei atmosferoje ir vandenyje vyktų tik tokie procesai, jie būtų nepermatomi, ir jokių žvaigždžių akimi nematytume. Vaizdas būtų panašus kaip gyvenant kambaryje be langų. Gelbsti galimybė vykti dar ir kitokiems procesams, kai retose arba turinčiose specialių savybių aplinkose sužadintam atomui palankiau išspinduliuoti kitą fotoną, negu perduoti sužadinimo energiją kaimynams.

Tai daro medžiagą permatoma, nes fotonai nėra sugeriami, o tik apsunkinamas jų kelias per tą medžiagą. Šio apsunkinimo charakteristika yra jums pažįstamas tos skaidrios medžiagos lūžio rodiklis, kuris didesnis už vienetą ir rodo šviesos greičio sumažėjimą joje.

Mikrodalelių pasaulyje, kurį puikiai aprašo kvantinė mechanika, neuždrausti visi galimi procesai, todėl įmanomas ir atomo ar molekulės susižadinimas nuo smūgių, tai yra nuo susidūrimų su energingais kaimynais, sukeliantis ne kinetinės energijos padidėjimą, o fotono išspinduliavimą. Šį procesą kiekvienas esate irgi matę – tai yra kaitinamo metalo gabalo švytėjimas.

Jei pastebėjote, iš pradžių, kol sudarančių jį dalelių kinetinė energija yra nedidelė, jis tik parausta, toliau jai augant pageltonuoja, pabala ir galų gale tampa melsvai baltu.

Tai paaiškinama labai paprastai – raudonųjų fotonų bangos ilgis didžiausias, o energija mažiausia iš visų matomų, jiems spinduliuoti užtenka ir nelabai didelių sužadinimo energijų, gi mėlynųjų, o tuo labiau violetinių, fotonų energijos pačios didžiausios; sudėjus visus tuos spindulius į krūvą beveik vienodomis proporcijomis gaunasi balta šviesa. Matomame diapazone beveik tokia yra šviesos, atsklindančios iš Saulės, sudėtis. Žinoma, joje yra dar ir visokiausių kitokių ilgių elektromagnetinių bangų, tai yra ir kitokių energijų fotonų.

Elektromagnetinių bangų spektras labai turtingas, todėl bet kokiame kūne, kurio temperatūra nelygi absoliutiniam nuliui, molekulės juda, susidūrinėja, perduoda viena kitai energiją, o susižadinę, žiūrėk, ima ir išspinduliuoja vieną kitą, kad ir mažos energijos, fotoną. Dėl šios priežasties fotonus spinduliuoja visi mus supantys kūnai, tame tarpe ir

Žemė, ir mes patys. Tai yra vadinamasis šiluminis spinduliavimas. Kuo karštesnis kūnas, tuo trumpesnių bangos ilgių, tai reiškia – didesnių energijų – spindulius jis skleidžia. Tiksliau sakant, spinduliuojami įvairių bangos ilgių spinduliai, bet intensyvumo maksimumas, atitinkantis tam tikrą bangos ilgį, kylant kūno temperatūrai, slenkasi į trumpesnių bangų sritį.

Kad kūnas pradėtų spinduliuoti matomus spindulius, jo temperatūra turi būti lygi keliems tūkstančiams laipsnių. Labai karštas kūnas, toks kaip žvaigždė, sudarytas iš vandenilio ir nedidelės dalies kitų elementų, spinduliuoja įvairiausių dažnių fotonus, kurie užkloja ir visą matomos šviesos diapazoną. Praėjusi per disperguojančią aplinką tokia šviesa išsiskleidžia į vaivorykštę, tai reiškia ji yra išdėstoma pagal fotonų dažnius. Panašiai kaip Niutono prizmė, dirba ir šiuolaikiniai spektroskopai, analizuojantys spektrinę, tai yra dažnuminę šviesos sudėtį.

Dabar jau turbūt supratote, kad pasiekusi mus šviesa gali labai daug ką papasakoti. Pirma, jei sugebame užfiksuoti žvaigždės spinduliuojamas elektromagnetinius spindulius pakankamai plačiame bangų ilgių diapazone, suradę, kokį bangos ilgį atitinka pasiskirstymo maksimumas, galime rasti žvaigždės arba kitokio stebimo objekto temperatūrą. Šios kreivės, susiejančios spinduliuotės intensyvumą su jos bangos ilgiu, vadinamos

Planko kreivėmis. Įdomi jų savybė ta, kad jos, atitinkančios skirtingų temperatūrų žvaigždes ar šiaip skleidžiančius spinduliuotę kūnus, nesikerta. Tai reiškia, kad karštesnis objektas intensyviau už vėsesnįjį spinduliuoja visų ilgių elektromagnetines bangas. Pasitikrinti šią charakteristiką galime ir nefiksuodami labai plataus diapazono, o tiesiog nustatę, kokių jonų spektrai matomi, kadangi kiekvieno atomo jonizavimui reikalinga tam tikra fiksuota energija, taigi ir tam tikra lengvai su ja susiejama temperatūra.

Pav. 8.3. Įvairių temperatūrų objektų spinduliuotės intensyvumo priklausomybė nuo bangos ilgio (Planko kreivės).

Nuodugniau žvilgterėjus į šią šviesą, galima atrasti, kad ji yra ne ištisinė, o sudalyta tamsaus absorbcijos linijų tinklo. Kadangi kiekvienas atomas ar jonas turi savo specifinį, tik jam vienam būdingą, spektrinių linijų išsidėstymą, galima nustatyti, iš kokių atomų sudaryta žvaigždės branduolį supanti medžiaga, kurioje ta spinduliuotė yra gimusi. Panašius “spektrus” jūs galite pamatyti netgi supermarkete, kadangi kiekviena prekė turi savo brūkšninį kodą, pagal kurį kasos aparatas ją lengvai atpažįsta.

Ši idėja pasiskolinta iš fizikų, tyrinėjančių spektrus. Galų gale, sklindanti nuo žvaigždės šviesa prieš patekdama į Žemę turi pereiti per minėtus retus dujų debesis, kurių pilna Visatoje. Einant jai per tokią aplinką tie fotonai, kurių dažniai tinkami, yra absorbuojami. Tai pasireiškia kaip juodos absorbcijos linijos, atitinkančios dažnius tų medžiagų, iš kurių susidaręs debesis.

Šviesa, o tuo pačiu ir energija, sugertos iš pradinio spindulio, pavirsta arba kinetine debesies dalelių energija, arba kitais fotonais, kuriuos spinduliuoja jos sužadinti debesies atomai. Retame debesyje antrasis procesas labiau tikėtinas, todėl gali kilti klausimas, kodėl vis tik tos absorbcijos linijos atsiranda. Atsakymas paprasčiausiai yra tas, kad jei pradinio spindulio fotonai juda viena kryptimi, tai perspinduliuotieji plinta į visas puses, todėl pradine kryptimi jų intensyvumas ir sumažėja.

Pav. 8.4. Tolydinis, emisijos ir absorbcijos linijų spektrai.

Galų gale, galima nustatyti, kokiu greičiu spinduliuojanti tą šviesą žvaigždė ar galaktika juda Žemės atžvilgiu, nes dėl Doplerio efekto spindulių šaltiniui ir imtuvui judant vienas kito atžvilgiu visos spektrinės linijos pasislenka į ilgesniųjų arba trumpesniųjų bangų sritį.

Tas poslinkis visiems fotonams yra toks pat, kadangi galioja labai paprastas ryšys tarp imtuvo ir šaltinio santykinio judėjimo greičio v bei pradinio, žvaigždės išspinduliuoto, fotono bangos ilgio ( ir kritusio į imtuvą to paties fotono bangos ilgio (‘ :

v / c = ((‘ – () / ( .

Jei šaltinis tolsta, jo greitis mūsų, tai yra stebėtojo, atžvilgiu yra teigiamas, v > 0 , o jei artėja – neigiamas, v < 0 . Tai reiškia, kad tolstančio šaltinio išspinduliuotų fotonų bangų ilgiai padidėja, tai yra pasistumia į raudonųjų bangų pusę; todėl šis poslinkis vadinamas raudonuoju. Artėjančio šaltinio bangų ilgiai sumažėja, todėl poslinkis vadinamas mėlynuoju.

Būtent naudojantis šiuo efektu Edvinui Hablui pavyko ištirti Visatos struktūrą ir aptikti, kad ji šiuo metu plečiasi.

Taigi, elektromagnetinės bangos neša labai daug informacijos, reikia tik mokėti ją suprasti. Akimi tai padaryti neįmanoma, reikalingi specialūs prietaisai. Jau kalbėjome, kokią revoliuciją tiriant Saulės sistemą suvaidino Galilėjaus teleskopas. Dabar analogiški prietaisai yra labai ištobulinti ir leidžia stebėti ypatingai tolimus, labai mažo ryškio objektus.

Dešimties centų monetos, esančios už dešimties kilometrų, pamatymas tokiu prietaisu nesudaro jokių sunkumų. Problemos atsiranda kitur. Pasirodo, matyti Visatos objektus labai trukdo atmosfera, kurioje esantys dulkės, garai, dūmai, o taip pat judančios pačios dujų molekulės iškraipo stebimąjį vaizdą.

Dėl šių priežasčių observatorijos įrengiamos žemyninio klimato zonose, kad dangus būtų apsiniaukęs kuo mažiau naktų per metus. Kiek varijuoja šis rodiklis, galite spręsti iš to, kad kai kuriose

Žemės vietose per metus būna iki 300 giedrų naktų, o kai kuriose – iki 300

apsiniaukusių. Be to, observatorija turi būti įrengta kuo toliau nuo miestų ir didelių pramonės objektų, nes miestuose, kur vyksta aktyvus gyvenimas, yra daug šiluminės ir pramoninės taršos objektų – transporto priemonių, visokių komunikacijų, gamyklų ir taip toliau. Ruro pramonės baseinas

Vokietijoje, aukštakrosnių kompleksai Ukrainoje ir Urale užteršia didžiulius aplinkinius rajonus, ten observatorijos perspektyvų neturi.

Pav. 8.5. Žemės atmosferos permatomumas įvairioms elektromagnetinėms bangoms.

Taigi, jau turbūt drasiai galima nuspręsti, kad idealios vietos antžeminėms observatorijoms yra kalnuose, kur mažesnis atmosferos storis, mažiau teršalų, šilumos ir šviesos šaltinių. Taip jau seniai pastebėta –

stambiausi teleskopai įrengiami kalnuose – Arizonos dykumoje, Čilėje ar

Havajuose. Dar geriau negu kalnuose teleskopai jaučiasi kosmose, kur trukdžiai ir užteršimas yra visai nedideli. Tai jau ir padaryta. Nuo 1989

metų NASA eksploatuoja 2.4 metro diametro teleskopą, pavadintą aptikusio

Visatos plėtimąsi Edvino Hablo garbei jo vardu.

Naudojami teleskopai Visatą stebi jau seniai ne tik matomos šviesos, bet ir praktiškai visuose kituose elektromagnetinių bangų diapazonuose. Akimi žvaigždžių niekas nebestebi net per teleskopą, nes fotoplokštelėse ar kituose registruojančiuose prietaisuose galima, padidinus ekspoziciją, per ilgesnį laiką sukaupti pakankamai informacijos ir apie visai sunkiai įžiūrimus objektus.

Apie tai, kas yra aptikta šiais moderniais ir protingais prietaisais, pakalbėsime kitose paskaitose.

Taigi, šviesa atneša informaciją ir apie tai, iš ko sudaryta Visata, nes kiekvienas elementas turi savo „pirštų antspaudus” ir yra nesunkiai atpažįstamas. Ne kartą yra buvę taip, kad atrodė, jog pamatytas kažkoks nežinomas elementas ar junginys, nes jo spektras neatitikdavo jokių žinomų elementų spektrų.

Deja, ilgainiui pasirodydavo, kad tiesiog tai yra kas nors iš žinomų, tačiau esantis tokiose sąlygose, kurių nėra arba netgi visai neįmanoma dirbtinai sukurti Žemėje.

Maždaug prieš dvidešimt ar kiek daugiau metų, kai dirbtiniuose Žemės palydovuose buvo įtaisyti spektroskopai, leidę stebėti Visatą tolimojo ultravioleto ir rentgeno spindulių diapazonuose, pasirodė, kad užregistruoti sudėtingi ir nepažįstami spektrai yra daug kartų jonizuotų žinomų elementų spektrai.

Tokie elementai kosmose „pagaminami”, kadangi normaliam atomui atsidūrus energingo spinduliavimo lauke nuo jo „nuplėšiama” daug elektronų ir jis tampa iš pirmo žvilgsnio neatpažįstamu. Norint sukurti tokias sąlygas

Žemėje, reikia labai pasistengti. Tai ne tik brangiai kainuoja, bet ir reikalauja unikalios įrangos. Kosmose sąlygų įvairovė yra tiesiog stulbinanti ir materija egzistuoja visose įmanomose formose, tame tarpe ir pačiose egzotiškiausiose.

Pabandykime prisiminti, iš ko viskas aplink padaryta, kaip visa tai gali pasikeisti kintant išorinėms sąlygoms, koks yra šiuolaikinis požiūris į materijos struktūrą. Kaip žinome, bendras mokslo bruožas yra tas, kad visos be išimčių žinios negali būti sustabarėję, o nuolatos keičiasi, tačiau tie pasikeitimai, pasiekus tam tikrą lygį, yra pastebimi tik kvalifikuotam specialistui. Kalbėsiu būtent apie tą lygį, kuris pakankamai rafinuotas, bet kartu ir ne per lėkštas. Vargu ar tie teiginiai, patikrinti ir pripažinti XX amžiuje, ženkliai pasikeis per kelis artimiausius dešimtmečius.

Taigi, mums pilnai pakaks tų žinių, kad Visata sudaryta iš materijos, kurios pagrindiniai struktūriniai elementai yra protonai, neutronai ir elektronai, o taip pat jau pažįstamas fotonas, kuris efektyviausiai perneša ne tik sąveikas tarp šių dalelių, bet ir informaciją.

Gravitacinę saveiką tarp bet kokių dviejų masių perneša gravitonai, tačiau jie netgi neaptikti eksperimentiškai ir šiandien, kalbant apie smulkiausias materijos daleles, mums neaktualūs, nes ši sąveika palyginus su kitomis, – elektromagnetine ir stipriąja, nevaidina beveik jokios rolės susidarant atomų branduoliams, atomams ir molekulėms, taigi tuo pačiu ir visoms supančių mus dujinių, skystųjų ir kietųjų kūnų dalelėms.

Atomus kuria elektromagnetinė sąveika, pernešama tų pačių fotonų. Paprasčiausia jos išraiška yra Kulono dėsnis, nusakantis jėgą, kuria vienas kitą veikia du krūviai. Stipriąją sąveiką, suklijuojančią iš protonų ir neutronų atomų branduolius, perneša įvairiausi mezonai – pi, ro, omega ir kiti. Jų mums nereikės, užtenka žinoti, ką ir kaip jie padaro.

Galų gale, protonai ir neutronai patys yra padaryti iš kvarkų, tačiau ir tai atidėkime į šalį.

Kai girdite apie daugybę kitokių elementariųjų dalelių, tai yra ne kas kita, kaip tik ypatingoms sąlygoms esant kosmose arba laboratorijose egzistuojantys labai trumpai gyvuojantys egzotiški objektai, beveik neįtakojantys materijos savybių. Taigi, apsistosime prie trijų pagrindinių dalelių, nes fotonas jau pažįstamas.

Esminis materijos struktūros elementas yra atomų branduoliai. Kaip žinote, jie sudaryti iš protonų ir neutronų veikiant stipriąjai sąveikai. Abi dalelės labai panašios, jos skiriasi tik krūviu, todėl apibendrintai vadinamos nukleonais. Pirmasis paradoksas yra būtent tame, kad ši sąveika vadinama stipriąja.

Energijos masteliai, palyginus su atominiais, čia yra, aišku, milijoną kartų didesni, tačiau dviejų neutronų arba dviejų protonų į krūvą ji “suklijuoti” negali, o protonas su neutronu „sulimpa” tik labai specifiniu būdu, sudarydami taip vadinamą deuteroną, sunkiajame vandenyje pakeičiantį vandenilį.

Deuteronas nėra labai patvarus – pasitaikius progai jis tuoj pat atgal subyra į neutroną ir protoną. Iš trijų nukleonų galima padaryti tik du branduolius – tritoną (du neutronai plius vienas protonas)

ir helioną (neutronas plius du protonai), kurie kiek patvaresni už deuteroną, bet neturi jokių sužadintų būsenų, o žadinant vėlgi iš karto skyla į dalis. Iš keturių nukleonų susidaro tik vienas (du neutronai plius du protonai), bet užtai ypatingai patvarus, helio-4 branduolys, dar vadinamas alfa-dalele. Šis branduolys savo matmenimis yra mažesnis už minėtus trijų, o tuo labiau dviejų nukleonų branduolius. Alfa dalelė tokia patvari, kad prie jos netgi penktasis nukleonas negali “prilipti”. Taigi, stabilių penkių nukleonų branduolių gamtoje nėra iš viso. Nuo šešių nukleonų jau prasideda daugmaž normalūs branduoliai, nors dar nėra ir stabilių branduolių, sudarytų iš aštuonių nukleonų.

Pav. 8.6. Lengviausiųjų branduolių stabilumo takas. Stabilūs branduoliai pažymėti pilkai.

Visa atomo branduolio energija yra neigiamas dydis, charakterizuojantis to branduolio stabilumą. Norint suskaldyti tą branduolį į atskirus nukleonus reikalinga kaip tik tokia energija, bet su priešingu ženklu, tai yra teigiama. Ji vadinama atomo branduolio ryšio energija. Padalinta iš nukleonų skaičiaus ji kaip tik ir lygi ryšio energijai vienam nukleonui, charakterizuojančiai jų sulipimą branduolyje. Kuo ji didesnė, tuo stipriau surišti branduolyje nukleonai, tuo sunkiau tokį branduolį suardyti.

Priešingo ženklo, tai yra neigiamas dydis, yra energija, tenkanti vienam nukleonui tame branduolyje. Jeigu pabandytume pasižiūrėti, kaip šis parametras kinta augant nukleonų skaičiui, tai pamatytume, kad jis turi išsiskiriantį minimumą jau minėtai alfa – dalelei, po to staigiai išauga ir toliau po truputį krenta iki geležies – nikelio, o po to vėl monotoniškai auga.

To branduolių slėnio dauboje randasi stabiliausi Visatoje geležies branduoliai.

Norint gauti iš atomų branduolių kokios nors energijos, reikia leistis gilyn į tą slėnį, tai reiškia – arba iš silpniau surištų lengvųjų branduolių gaminti labiau surištus (tai vadinasi branduoline sinteze, tokios reakcijos vyksta sprogstant branduolinei bombai, lėtai jų atlikti tokiais kiekiais, kad tai galėtų duoti praktinę naudą, dar niekam nepavyko), arba mažiau surištus sunkiuosius skaldyti į stipriau surištus lengvesnius branduolius (tai yra reakcijos, kurios vyksta greitai sprogstant dabar nebemadingai atominei bombai, arba lėtai degant branduoliniam kurui atominėse elektrinėse), nes tik taip galima atpalaiduoti juose sukauptą energiją.

Augant nukleonų skaičiui branduoliuose, sunkesniuose už geležį, jie darosi vis mažiau ir mažiau stabilūs. Taip atsitinka todėl, kad stiprioji sąveika yra trumpo veikimo sąveika.

Taigi, dideliame branduolyje, panašiai kaip skysčio laše, tampriau susiję yra tik esantys šalia vienas kito nukleonai, ir kai jų labai daug, atsiranda polinkis tam branduoliui klasterizuotis, tai yra suskilti į mažesnes, bet labiau surištas dalis. Dėl šių priežasčių stabilių branduolių takelis iš viso nutrūksta. Daugiau ar mažiau stabilių izotopų yra apie tūkstantį. Paskutinis stabilus branduolys yra urano izotopas, turintis 238

nukleonus.

Pav. 8.7. Branduolių slėnis.

Taigi, tūkstantis beveik stabilių branduolių. Tuo tarpu žvilgtelėję į periodinę lentelę matome tik apie šimtą elementų. Kodėl? Priežastis yra ta, kad cheminį elementą, tai yra atomo elgesį žemose energijose, kurios būdingos cheminėms reakcijoms, apsprendžia visiškai ne jo branduolys, o besisukantys apie jį elektronai, ir tai dar ne visi, o tik patys išoriniai.

Kiek elektronų gali apie kokį nors branduolį suktis, nusako ne bendras nukleonų skaičius jame, o tik tai, kiek tarp jų yra protonų. Kaip nesunku suprasti iš pateikto lengvųjų branduolių stabilumo tako, nėra jokio branduolio, sudaryto vien tik iš protonų, protonai visi turi vienodą krūvį ir stumiasi vienas nuo kito. Nors stiprioji sąveika juos ir bando suklijuoti, susidaryti stabiliam branduoliui būtina, kad jame būtų dar ir neutronų. Tam tikro elemento izotopai būtent ir yra branduoliai, turintys fiksuotą protonų (žymima raide Z), bet skirtingą neutronų (N) skaičių. Prie visų tokių branduolių normaliomis sąlygomis tuoj pat atsiranda būtent Z

elektronų, kad susidariusios sistemos (atomo) krūvis būtų lygus nuliui.

Beveik kiekvienas elementas turi po kelis izotopus. Jų cheminės savybės visiškai vienodos, nes jie skiriasi tik esančių branduolyje neutronų skaičiumi. Pavyzdžiui, kalcis, kurio pilna mūsų kauluose, turi šešis stabilius ir dar vienuolika radioaktyvių izotopų. Radioaktyvūs yra tie izotopai, kurių branduoliai po ilgesnio ar trumpesnio laiko skyla į dalis.

Skilimo metu elektronai irgi lengvai persiskirsto taip pat į dvi analogiškas dalis. Kaule nelieka kalcio, o tai nėra labai gerai.

Normaliomis sąlygomis tokių radioaktyvių atomų yra nedaug, ir jei vienas kitas suskyla, tai žmogui nieko neatsitinka. Avarijos, tokios kaip įvykusi

Černobylyje, metu atmosferoje atsiranda daug radioaktyvių izotopų. Jeigu jų neįkvėpėte, tai iškritusius ant žemės juos įsisavina augalai, po to –

gyvuliai, dar po to su pienu ar mėsa galų gale ir žmonės. Kadangi bet koks gyvas organizmas linkęs nuolatos atsinaujinti, gyvenant tokiomis sąlygomis įprastiniai, tai yra turintys stabilius branduolius, organizme esantys atomai greitai pasikeičia radioaktyviais, kurie galų gale patys savaime dėl radioaktyvaus skilimo dingsta beveik be pėdsakų. Iš čia ir kyla visos problemos.

Kodėl chemines elementų savybes apsprendžia tik elektronai? Čia priežastys bent jau dvi. Pirmiausia, branduolys yra labai mažas palyginus su atomu, jis yra tarsi labai gerai suvyniotas į elektronų apvalkalą.

Jei paimtumėte ir tušinuku nusipieštumėte savo sąsiuviniuose 1 mm diametro taškelį ir įsivaizduotumėte, kad tokio dydžio yra atomo branduolys, tai atomas būtų ne mažesnis už keturių aukštų namą. Šitų mastelių netgi neįmanoma pavaizduoti kokiame nors paveiksle, kuris telpa į šį lapą.

Tuo tarpu būtent branduolyje yra sukoncentruota beveik visa atomo masė, nes kiekvienas protonas, kaip ir neutronas, yra apie 2000 kartų masyvesnis už elektroną. Tai panašu į Saulės sistemą, jei branduolį įsivaizduotume kaip Saulę, o elektronus – kaip planetas, nors yra ir esminių skirtingumų.

Manau, jūs patys juos lengvai galite išvardinti. Antroji priežastis yra ta, kad tose temperatūrose, kuriose mes gyvename ir kuriose pasireiškia būtent cheminės elementų savybės, energijos nepakanka niekam kitam, o tik kiek „pakutenti” tuos elektronus. ir tai ne visus, o tik silpniausiai prie branduolio pririštus, tai yra išorinius.

Būtent išoriniai elektronai atsakingi už visą chemiją, tai yra neorganinių, o taip pat ir organinių molekulių, iš kurių sudaryta visa gyvoji gamta, susidarymą. Kokia šių darinių įvairovė, galime spręsti iš tokių pavyzdžių. Pratęskime mintį apie branduolį kaip taškelį ir atomą kaip namą. Virusas tokiu atveju būtų darinys apie 5 km diametro, tarpžvaigždinių dulkių dalelė – apie 50 km, bakterija – dar du kartus didesnė. Lastelė būtų apie 500 km diametro dalykėlis, o kuris nors iš mūsų vos tilptų atstume nuo Žemės iki Saulės.

Šildydami maistą ar važiuodami automobiliu mes naudojamės cheminių reakcijų savybėmis išskirti energiją. Panašiai kaip aptartose branduolių skilimo arba sintezės reakcijose čia irgi iš mažiau surištų objektų susidarant labiau surištiems didėja produktų kinetinė energija, tai yra temperatūra.

Nuostabu yra dar ir tai, kad dauguma šių reakcijų vyksta savaime. Atsukate dujų čiaupą, uždegate degtuką, ir jeigu tik bus tiekiamos, jos gali degti metų metus.

Pav. 8.8. Periodinė elementų lentelė. Joje pavadinimai elementų, kurie normaliomis sąlygomis yra dujos, pavaizduoti raudonai, esantys skysčiais –

žaliai, o esantys kietais kūnais – juodai.

Gyvename mes iš tiesų prabangiose sąlygose, tai yra 273 plius minus 50

laipsnių Kelvino temperatūroje. Pažvelkite pro langą – aplinkui pilna garų, dujų, skysčių ir kietų kūnų. Ne tiek jau daug reikia apsirengti ir pavalgyti, kad užtektų energijos palaikyti pastovią kūno temperatūrą, kaip tik tokią, kurios reikia vykti savaiminėms suvalgyto maisto – monosacharidų

– oksidacijos reakcijoms, teikiančioms energiją visiems organams ir palaikančioms tokią kūno temperatūrą, kurioje ištirpsta riebalai, lengvai juda raumenys, gyslomis teka kraujas ir sklandžiai dirba superkompiuteris –

mūsų smegenys. Dabar prisiminkite, kiek problemų atsiranda žiemą, temperatūrai nukritus tik 10-20 laipsnių. Vanduo užšala, reikia šilčiau rengtis ir šildyti patalpas. Kas gi būtų, jei temperatūra dar labiau nukristų – tarkime, iki minus 200 laipsnių Celsijaus? Užšaltų ir sukietėtų ne tik vanduo, bet ir dauguma kitų elementų, netgi tie, kurie normaliomis sąlygomis yra dujos. Prisimenate, kas darosi Plutone jam tolstant nuo

Saulės? Čia irgi būtų ne ką geriau. Dabar pagalvokime, kas atsitiktų pakilus temperatūrai keliais tūkstančiais laipsnių. Molekulės suskiltų, beveik visos medžiagos, kurios normaliai yra kietos, suskystėtų, o kai kurios ir išgaruotų. Visatoje ir žemos, ir aukštos temperatūros yra įprastas dalykas, todėl tokia didelė ir stebimų spektrų įvairovė, nes kylant temperatūrai ir medžiagoms pereinant iš vienų agregatinių būvių į kitus jų fizikinės savybės labai keičiasi.

Dar labiau keliant temperatūrą chemija, o tuo pačiu ir visa organika pasibaigia – nuo atomų pradeda atitrūkti elektronai – iš pradžių vienas, po to antras, ir taip toliau iki susidarant pilnai jonizuotai plazmai, kai branduoliai dėl didžiulės kinetinės energijos nebegali nulaikyti elektronų.

Tokiu atveju jokios struktūros nebesusidaro, elektronai nebetrukdo pasireikšti branduoliams, kurie gali laisvai daužytis ir reaguoti. Tokie procesai vyksta žvaigždėse, jų metu kaip tik ir išsiskiria ta energija, kuri užtikrina minėtą mūsų komfortą.

Kiekvieną iš minėtų materijos būvių, atsirandančių kylant temperatūrai, tai yra:

1. Kietą kūną su beveik nejudančiais jonais gardelės mazguose,

2. Skystį, kuriame neutralios, susigrąžinę elektronus molekulės gali beveik laisvai judėti viena kitos atžvilgiu,

3. Dujas, kuriose tos molekulės dar laisvesnės,

4. Aukštų temperatūrų, kai molekulės jau suirę, atomines dujas.

5. Įvairių jonizacijos laipsnių dujas,

6. Pilnai jonizuotas dujas, kuriose atomai suskilę į laisvus elektronus ir branduolius,

7. Dar aukštesnes temperatūras, kai tampa galimos lengvųjų branduolių sintezės reakcijos, atitinka specifiniai spektrai ir atitinkamų energijų fotonai, kurie pasiekę mus ir išduoda, iš kur atvykę.

Klausimai

1. Elektromagnetinių spindulių rūšys?

2. Kam lygus šviesos greitis?

3. Mažiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

4. Didžiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

5. Kokių elektromagnetinio spinduliavimo charakteristikų ryšį nusako

Planko kreivė?

6. Kokioms elektromagnetinių spindulių spektro sritims yra permatoma

Žemės atmosfera?

7. Kokios spalvos fotonų energija yra pati didžiausia?

8. Kokios spalvos fotonų energija yra pati mažiausia?

9. Kas tai yra Doplerio reiškinys?

10. Kur geriausia įrengti teleskopą?

11. Sąveika, rišanti atomus į molekules?

12. Sąveika, rišanti planetas ir žvaigždes į grupes?

13. Kokių atomų Visatoje daugiausia?

14. Elementariosios dalelės, iš kurių sudaryti atomų branduoliai.

15. Jei neutralus atomas turi Z elektronų, tai kiek neutronų ir kiek protonų gali būti jo branduolyje?

16. Jei atomo branduolys būtų tokio dydžio, kaip milimetro diametro taškas, tai kokio dydžio būtų atomas?

17. Du pagrindiniai būdai atomo branduolio sukauptai energijai atpalaiduoti?

9. Žvaigždžių paradas

Nuomonės, kad matoma naktį gausybė žvaigždžių iš vienos pusės, ir dieną šviečianti Saulė negali turėti nieko bendro, laikėsi ir beveik visi senovės išminčiai, ir palyginus visai neseniai – dargi tokie astronomijos gigantai, kaip Kopernikas ir Kepleris. Galima lengvai visus juos suprasti, nes žvaigždės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiau visos jos vis tik yra niekingai smulkios ir neišvaizdžios.

Pav. 9.1. Žvaigždžių spiečius.

Lūžis žvaigždžių suvokime įvyko palyginus neseniai, kai išsivysčius spektroskopijai pamažu buvo įsitikinta, kad jos skleidžia šviesą, savo charakteristikomis įvairią, bet esme labai panašią į Saulės skleidžiamą.

Dabar gerai žinoma, kad jos yra įvairiausiai nutolę nuo Žemės, o jų savybės gali būti dar įvairesnės negu kad ir šiaip matosi, tačiau pradėti samprotauti apie jas remiantis tokiais faktais būtų buvę labai jau drąsu ir tiek pat nekonstruktyvu. Paprasta, bet labai vertinga ir labai pasitarnavusi pradiniame žvaigždžių studijavimo etape, hipotezė buvo ta, kad visos jos yra vienodos, tokios kaip ir Saulė, bet tik išsidėstę įvairiais atstumais nuo Žemės. Pabandykime pasiaiškinti, kas galėtų sekti iš šios prielaidos, pasekdami Hiuigenso (XVII amžius) samprotavimų eigą.

Jei antroji po Saulės ryškiausia žvaigždė – Sirijus – yra lygiai tokia pati kaip Saulė, tai abi jos per tą patį laiką išspinduliuoja tiek pat fotonų.

Sklisdami nuo Saulės, Sirijaus ar kokios kitos žvaigždės, fotonai tolygiai išsisklaido erdvėje, užpildydami vis didesnį, priklausomai nuo nuskrieto atstumo, sferos, kurios spindulys lygus tam atstumui, paviršių. Sferos paviršiaus plotas, kaip žinome, proporcingas jos spindulio kvadratui, todėl skaičius fotonų, krentančių į kokį fiksuotą tos sferos paviršiaus plotelį, tolydžio mažėja augant sferos spinduliui atvirkščiai proporcingai jo kvadratui.

Pav. 9.2. Atvirkštinių kvadratų dėsnis sklindant šviesai.

Jei Saulė ir Sirijus yra visai vienodos žvaigždės, tai norint palyginti atstumus iki jų reikia tik surasti, koks yra santykis plotelių, į kuriuos dieną iš Saulės ir naktį iš Sirijaus krenta vienodas fotonų skaičius.

Plotelis, į kurį naktį krenta Sirijaus šviesa, sukurianti matomą jo ryškį, yra lygus akies vyzdžio plotui. Gerai įsižiūrėjęs į Sirijų naktį, dieną

Hiuigensas bandė pasidaryti tokią mažą skylutę sienoje tamsiame kambaryje, kad ji nuo praėjusios Saulės šviesos būtų taip pat ryški, kaip Sirijus naktį. Žinoma, tokie matavimai labai apytikriai, tačiau buvo gautas visai protingas rezultatas, kad Sirijus yra apie 30 000 kartų toliau nuo Žemės, negu Saulė. Tai reikštų, kad šviesa iš Sirijaus į Žemę eina 30 000 * 8 min

= 167 paras, tai yra beveik pusę metų.

Šis rezultatas yra būtent protingas, nes jis parodo, kad žvaigždės gali būti labai toli – kadangi kitos yra matomos ne tokios ryškios kaip Sirijus, tai jos turėtų būti dar toliau. Deja, jis nėra tikslus, – Sirijus randasi už 8.7 šviesmečio, tai yra beveik 20 kartų toliau. Skirtumas gavosi ne tik dėl paklaidų, atsiradusių duriant tą skylutę ir prisimenant naktį matyto

Sirijaus ryškį, bet dar ir todėl, kad Sirijus yra žymiai ryškesnis už

Saulę. Jei pastaroji būtų tokiame atstume, kaip Sirijus, tai ji nesiskirtų nuo daugybės mažučių žvaigždelių.

Tačiau tai mes žinome tik dabar, prieš 300 metų problemos atrodė kitaip.

Niutonas savo „Ištakose” aprašo J.Gregori surastą metodą matuoti atstumui iki Sirijaus, kuris turėtų būti įdomus ir pamokantis. Gregori pastebėjo, kad Sirijus beveik taip pat ryškus, kaip planeta Saturnas. Kadangi kartais jie abu matosi vienu metu ir beveik šalia, tai palyginimo paklaidos yra žymiai mažesnės. Vienodas matomas ryškis reiškia, kad iš vieno ir antro krentančių į akį fotonų skaičiaus tankis yra toks pat. Čia palyginimo būdas kiek rafinuotesnis. nes Saturnas tik atspindi Saulės šviesą. Iš pradžių

Saulės išspinduliuoti fotonai, vis besiskleisdami (tankis, kaip visada, kinta atvirkščiai proporcingai atstumo kvadratui) turi pasiekti Saturno paviršių, ten dalis jų yra sugeriama, nes atspindžio koeficientas (albedo)

nelygus vienetui. Atspindėti fotonai, vėl tolydžio mažėjant jų tankiui, ir krenta į akies plotą. Iš Sirijaus jie atsklinda be tarpininkų, todėl palyginimas ir yra kiek sudėtingesnis. Aprašomu metu atstumai nuo Saulės iki Žemės ir iki Saturno buvo žinomi, taigi Niutono skaičiavimai, besiremiantys tik ta pačia hipoteze, kad Sirijus ir Saulė yra tokios pat žvaigždės, turėjo būti žymiai tikslesni už Hiuigenso. Taip ir gavosi –

atstumas iki Sirijaus buvo įvertintas esąs 100 000 kartų didesnis už atstumą iki Saulės. Tai yra tris kart geriau!

Deja, abu metodai tyrinėtojams neatrodė labai patikimi, nes priklausė nuo prielaidos apie žvaigždžių ryškį, todėl nuolatos buvo ieškoma, kaip juos patikslinti. Rimčiausias būdas tą padaryti yra jau mūsų apsvarstytas paralakso matavimas, kai stebėtojai, esantys dviejuose skirtinguose taškuose, išmatuoja kampus, kuriais ta žvaigždė matoma tolesnių žvaigždžių fone. Vadovaujantis hipoteze, kad visos žvaigždės yra vienodos, su tolimesnėmis žvaigždėmis problemų nėra – kuo žvaigždė mažiau ryški, tuo toliau ji yra. Lieka tik kampų matavimo sunkumai. Kuo stebėtojai yra arčiau vienas kito (atstumas tarp jų vadinamas baze), tuo tie kampai artimesni 90 laipsnių, tuo sunkiau juos išmatuoti, tuo didesnė paklaida.

Jei matavimus norime atlikti vienu metu, tai didžiausia bazė, kaip nesunku susigaudyti, lygi Žemės diametrui, nes toliau vienas nuo kito patalpinti stebėtojų neįmanoma. Galima, tačiau, tą bazę labai padidinti, turint omenyje Žemės judėjimą apie Saulę. Jei stebėsime tą patį objektą atskirai vasarą ir žiemą, tai bazė bus lygi Žemės orbitos diametrui, tai yra beveik

300 milijonų kilometrų. Tai irgi ne riba, nes Žemė kartu su Saule juda apie mūsų Galaktikos centrą, o tos orbitos spindulys yra dar didesnis.

Pav. 9.3. Paralakso iliustracija.

Taigi, reikia matuoti paralaksus. Šioje srityje įdomių rezultatų yra gavęs

V.Heršelis (1738 – 1822), todėl verta juos paminėti. Samprotavimų seka buvo tokia. Jeigu visos žvaigždės vienodos, tai suradus šalia dvi žvaigždes

– vieną ryškią, o kitą neryškią, galima spręsti, kad viena jų yra žymiai toliau už kitą. Todėl, per metus Žemei judant orbita, ryškesnė žvaigždė tarsi judės elipsiu tolesnės žvaigždės aplinkoje, ir nejudančioms žvaigždėms šis judėjimas turi kartotis metų periodu. Paprasčiau tai, kas pasakyta, galite įsivaizduoti taip. Tarkime, scenos priekyje, arti žiūrovų, stovi nejudantis aktorius, o scenos gilumoje yra įvairios dekoracijos (namai, kalnai, gyvūnai ir taip toliau). Jeigu jūs galite keisti savo vietą žiūrovų salėje, tai aktoriaus padėtis dekoracijų atžvilgiu jums judant keisis. Tai ir yra paralakso metodo esmė. Kadangi mūsų „žiūrovas”, esantis

Žemėje, juda su planeta apie Saulę elipsiu, tai elipsį „pieš” ir aktoriaus vaizdas (ar šešėlis) dekoracijų fone. Pagal šiuos ryškiosios žvaigždės metinius poslinkius tolimosios atžvilgiu galima nustatyti jos paralaksą, tai yra kampus. Kadangi bazė žinoma (ji lygi Žemės orbitos diametrui), galima paskaičiuoti atstumą iki artimosios žvaigždės.

Heršelis ir kiti surado apie 700 tokių ryškios ir neryškios žvaigždžių porų ir bandė nustatyti jų paralaksus, o tuo pačiu ir atstumus, tačiau pasirodė, kad nė vienu atveju stebėti poslinkiai negalėjo būti traktuoti kaip paralaktiniai, tai yra jie nesikartojo metų bėgyje ir turėjo dar kitokių keistenybių.

Tik daugelį metų kankinęsis prie gautų rezultatų, Heršelis pagaliau suprato, kad jis surado dvinares žvaigždes, kurios labai paplitę Visatoje. Ryški ir neryški žvaigždės, besiskiriančios šiuo parametru šimtus kartų, pasirodė esą arti viena kitos ir besisukančios apie bendrą masių centrą. Pasirodė, kad šį judėjimą puikiai aprašo Niutono mechanika, atrasta ir skirta Saulės sistemos aprašymui. Tai buvo dar vienas argumentas, kad mes Visatoje niekuo neišsiskiriame.

Nėra to blogo, kas neišeina į gerą, ypatingai astronomijoje. Pasirodė, kad stebint dvigubų žvaigždžių judėjimą, jeigu žinomas vidutinis atstumas iki tokios sistemos, galima jas sverti, panašiai kaip tai mes jau darėme sverdami planetas pagal jų palydovų judėjimą, nes ir vienu, ir kitu atveju galioja ta pati Niutono mechanika ir Keplerio dėsniai.

Šiuo metu atstumai iki kiek tolesnių žvaigždžių ir netgi iki kitų galaktikų yra daugiau ar mažiau patikimai matuojami labiau rafinuotais metodais, prie kurių nuodugnesnio nagrinėjimo mes dar grįšime. Profesionalūs astronomai, turintys kad ir ne pačius moderniausius teleskopus, nuolatos atlieka kasdieninius svarbius darbus, registruodami žvaigždžių koordinates. Šioje srityje pasiektas neblogas tikslumas – išmatuojami kampai iki 0.01

sekundės. Nuolatos taip tiksliai matuojant žvaigždžių koordinates lengva aptikti jų judėjimo trajektorijas, kurios aktualios tyrinėjant Galaktikos struktūrą, o galų gale žvaigždžių fone ir aptikti visokius pašalinius objektus – kometas, asteroidus ar meteoroidus. Deja, netgi toks iš pirmo žvilgsnio atrodantis visai neblogas tikslumas neleidžia išmatuoti atstumų, didesnių kaip 100 parsekų. Paukščių tako diametras gi yra didesnis negu 30

000 parsekų, todėl šio gražaus savo idėja ir labai paparasto metodo galimybės ribotos netgi tyrinėjant sąlyginai artimiausią Saulės aplinką.

Reikia priminti gal tik vienetus, kuriais matuojami atstumai Visatoje.

Astronominį vienetą, žymimą AV (angliškai – AU, nes tai yra “astronomical unit” santrumpa) ir sutampantį su vidutiniu Žemės orbitos spinduliu, lygiu maždaug 150 milijonų kilometrų, jau anksčiau apibrėžėme. Deja, mūsų

Galaktikos – Paukščių Tako, o tuo labiau Visatos požiūriu tai yra labai smulkus vienetas – šviesa tokį atstumą nuskrieja per 8 minutes.

Priimtinesnis yra atstumas, kurį šviesa nuskrieja per metus, vadinamas šviesmečiu, žymimas šm, o anglakalbėje literatūroje – ly (light-year). Jis lygus maždaug 1013 kilometrų, kas sudaro 63 240 AV. Kartais dar naudojamas ir parsekas pc (parsec), lygus 3.26 šm. Tai yra atstumas, nutolusios kuriuo žvaigždės paralakso kampas lygus 1″ (vienai sekundei).

Artimiausia Saulės kaimynė yra nutolusi 4.35 šm atstumu, o 16 šviesmečių spindulio sferoje galima rasti, be Saulės, dar tik 17 kitokių žvaigždžių.

Tai reiškia, kad jos yra išsidėstę, švelniai tariant, nelabai tankiai.

Taigi, stebint kokią žvaigždę pirmiausiai nustatoma jos padėtis, jeigu įmanoma – atstumas iki Žemės, ir dar prieš matuojant spektrą, – jos regimasis ryškis. Turbūt akivaizdu, kad tai yra ne tiek stebimos žvaigždės savybė, kiek charakteristika, iš esmės priklausanti nuo jos padėties

Visatoje mūsų atžvilgiu ir labiausiai – nuo atstumo. Žvaigždžių klasifikacijos pagal šią charakteristiką schemą įvedė Hiparchas maždaug 120

metų BC. Pagal šią charakteristiką žvaigždės skirstomos į ryškius, kurių kiekvienas sekantis yra maždaug 2.52 karto mažesnis. Nesunku suskaičiuoti, kad 2.525 ( 100, o tai reiškia, kad šeštojo ryškio žvaigždės atrodo esančios šimtą kartų mažesnio spindesio negu pirmojo ryškio žvaigždės.

Akimi geriausiu atveju matomos tik žvaigždės iki šeštojo ryškio. 1850

metais ši klasifikacijos sistema buvo modifikuota tiek, kad ji galioja ir dabar. Įvestos dešimtosios ir šimtosios ryškių dalys, kurias galima lengvai išmatuoti fotometrais, tai yra prietaisais, panašiais į tuos, kurie automatiškai atidaro duris, fotonų sriautą paversdami elektros srove. Labai šviesiems objektams ryškis gali būti ir neigiamas, galioja ta pati taisyklė. Pavyzdžiui, minus ketvirto ryškio šviesulys yra šimtą kartų šviesesnis, negu pirmojo ir taip toliau. Palyginimui kai kurių žvaigždžių, planetų ir kitokių objektų regimieji ryškiai pateikti 9.1 Lentelėje.

Regimasis ryškis, kaip jau minėta, nėra tik pačios žvaigždės charakteristika. Kad galima būtų palyginti įvairius šviesulius vieną su kitu, naudojamas absoliutusis ryškis, lygus to objekto regimajam ryškiui, jei jis būtų 10 parsekų atstume nuo Žemės. 9.2 Lentelėje pateikti kai kurių objektų absoliutieji ryškiai, kurie rodo, kad palyginus su 9.1 Lentele daug kas kardinaliai pasikeičia.

Pilniausiai bet kokį šviesulį galima charakterizuoti spinduliavimo galingumu (spindesiu), tai yra pilna energija, išspinduliuojama visuose spektro diapazonuose per vienetinį laiką. Jei Saulės, kuri spinduliuoja kas sekundę 3.83*1033 ergų energiją, spindesį prilyginsime vienetui, tai pasirodo, galima surasti žvaigždžių, turinčių kaip milijoną kartų didesnį, taip ir milijoną kartų mažesnį spindesį. Vietoje Saulės patalpinus šviesiausią žvaigždę, Žemėje akimirksniu išgaruotų vandenynai ir ištirptų kalnai, o patalpinus blankiausią – viskas sušaltų į ragą.

Kalbėdami apie šviesą jau išsiaiškinome, kad priklausomai nuo žvaigždės temperatūros jos spinduliavimo maksimumas gali atitikti įvairius bangų ilgius, taigi ir įvairias spalvas.

Pav. 9.4. Žvaigždžių spalvos.

Pagal spalvą, tai yra paviršiaus temperatūrą, žvaigždės skirstomos į spektrines klases. Šių klasių žymėjimai ir apibrėžimai ilgainiui keitėsi, todėl galutinai yra įgavę gana chaotišką ir iš pirmo žvilgsnio nelogišką pavidalą. Žvaigždžių spektrinės klasės žymimos raidėmis O,B,A,F,G,K ir M.

Reikia paminėti, kad šmaikštesni žmonės tvarką surado net ir šioje sekoje –

angliškai tai lengvai įsimenama kaip pirmosios raidės sakinio „Oh, Be A

Fine Girl/Guy, Kiss Me!” arba dar modernesnio sakinio “Officially, Bill

Allways Felt Guilty Kissing Monica”. Pirmosios klasės (O) žvaigždės yra tos, kurių paviršiaus temperatūra pati didžiausia. Ji gali siekti iki 50

000 Celsijaus laipsnių. Tai yra labai šviesios žvaigždės, jų visame danguje matosi tik keleta. B klasės žvaigždės irgi karštos, irgi šviesios, tačiau kiek vėsesnės. Šiai klasesi priklauso nemažai ryškių žvaigždžių, stebimų akimi. Kaip pavyzdį galima nurodyti Rygelį, kurio paviršiaus temperatūra lygi 25 000 Celsijaus laipsnių. A klasės žvaigždės yra dar kiek vėsesnės –

jos yra baltos spalvos. Tokių žvaigždžių dar daugiau, jų indėlis Paukščių

Tako matomumui yra pats didžiausias. Charakteringos šios klasės žvaigždės yra Sirijus, Vega, Altairas ir Denebas, kurių paviršiaus temperatūra – apie

10 000 laipsnių. Geltonai baltos žvaigždės, kiek karštesnės už Saulę, sudaro F klasę. Kaip pavyzdį galima nurodyti Šiaurinę, kurios temperatūra lygi 7 500 laipsnių. Saulė ir kitos geltonos spalvos žvaigždės sudaro klasę

G; jų paviršiaus temperatūra yra apie 6 000 laipsnių. Dar šaltesnės yra oranžinės spalvos žvaigždės, sudarančios klasę K (temperatūra – nuo 4 000

iki 5 000 laipsnių), pavyzdys – gigantas Arktūras. Paskutinė yra vėsiausių, tuo pačiu ir raudoniausių žvaigždžių klasė M. Tarp jų yra supergigantas

Betelgeizė, kurio temperatūra – tik 3 100 laipsnių.

Tarp šių dviejų svarbių žvaigždės charakteristikų – absoliučiojo ryškio ir spalvos – yra surastas įdomus ryšys. Jei nupieštume diagramą, vadinamą jos autorių Hercšprungo ir Raselo vardais (sutrumpintai žymima kaip H-R

diagrama, ji sudaryta 1911-1913 metais), kurios ordinačių ašyje atidėtas žvaigždės šviesis, o abscisių ašyje – jos spalva nuo O iki M klasių, tai dauguma stebimų žvaigždžių pasiskirsto diagramoje ne bet kaip, o sugula ant juostos, einančios iš kairiojo viršutiniojo (didžiausias šviesis, aukščiausia spektrinė klasė – O) į dešinįjį apatinįjį kampą (mažiausias šviesis, spektrinė klasė M). Tokios žvaigždės, vadinamos pagrindinės sekos žvaigždėmis, tenkina paprastą taisyklę – kuo mėlynesnė yra žvaigždė, tuo ji yra ir šviesesnė.

Pav. 9.5. Hercšprungo – Raselo diagrama.

Atvirai sakant, turint tokius skurdžius duomenis, kaip absoliutusis žvaigždės šviesis ir jos spalva, nepabandyti paieškoti jų sąryšio būtų ir šiaip jau buvęs ne pats geriausias sprendimas. HR diagramos svarba yra kiek kitokio pobūdžio. Pabandykime ją išsiaiškinti nagrinėdami lengvai suvokiamą paprastą atvejį. Įsivaizduokite, kad matuojame kiekvieno įeinančio į auditoriją studento ūgį ir masę. Jei, sukaupę pakankamai duomenų, pabandysime juos susieti diagramoje, kurios x-ašyje atidedama studento masė jos mažėjimo tvarka, o y-ašyje – jo ūgis, tai gauta diagrama bus labai panaši į Hercšprungo-Raselo diagramą, nes studento, kurio ūgis didesnis, turi būti didesnė ir masė, o mažesnio ūgio studentų masė – mažesnė.

Daugumos studentų taškai tikriausiai suguls ant nelabai plačios juostos, einančios iš viršutinio kairiojo į apatinį dešinįjį kampą. Kuo ne HR

diagrama? Ką ji rodo? Nesunku suvokti, kad vienintelis dalykas, kurį ta diagrama akivaizdžiai demonstruoja, yra tai, kad visi matuoti yra jauni ir beveik vienodo amžiaus žmonės. Senukams, drambliams arba skruzdėlėms tos diagramos turėtų atrodyti kiek kitaip. Tai ir yra pagrindinė išvada, kuri žvaigždžių atveju rodo, kad jos, kaip ir studentai, turi kažką bendro.

Pav. 9.6. Studentų ūgio ir masės ryšys.

Tai reiškia, kad visose šiose žvaigždėse energija gaminama tuo pačiu būdu, o žvaigždžių savybės skiriasi tik todėl, kad skiriasi jų masės, tai yra „kuro” atsargos žvaigždėse. Kuo didesnė pagrindinės sekos žvaigždės masė, tuo karštesnė ji yra, ir atvirkščiai. Saulė yra labai tipiška vidutinė žvaigždė, jos vieta yra beveik tos diagramos centre. Yra kaip šimtą kartų didesnės masės, taip ir beveik 12 kartų mažesnės masės žvaigždžių. Labai masyvios žvaigždės yra labai retos, o labai lengvos, tuo pačiu ir raudoniausios – sunkiai aptinkamos.

Diagramoje yra dar keleta sričių, kuriose išsidėstę ne pagrindinės sekos žvaigždės – gigantai, supergigantai ir baltosios nykštukės, tačiau norint suprasti jų prigimtį ir vietą, reikia išsiaiškinti, kodėl ir kaip “dega”

žvaigždės.

|Objektas |Regimasis ryškis |

|Saulė |-26.74 |

|Mėnulio pilnatis |-12.73 |

|100 W lemputė už 100 metrų |-13.70 |

|Venera |-4.22 |

|Jupiteris |-2.60 |

|Marsas |-2.02 |

|Sirijus |-1.45 |

|Merkurijus |-0.2 |

|Centauro alfa (artimiausia |-0.1 |

|žvaigždė) | |

|Didysis Magelano Debesis |+0.1 |

|Saturnas |+0.7 |

|Mažasis Magelano Debesis |+2.4 |

|Andromeda (toliausias matomas |+3.5 |

|objektas) | |

|Uranas |+5.5 |

|Mažiausias matomas šviesis |+6.0 |

|Neptunas |+7.9 |

|3C273 (ryškiausias kvazaras) |+12.8 |

|Plutonas |+14.9 |

9.1 Lentelė. Įvairių objektų regimieji ryškiai.

|Objektas |Absoliutinis ryškis |

|Tipiškas ryškus kvazaras |-28 |

|Ryškiausia galaktika |-25 |

|Andromeda |-21.1 |

|Paukščių Takas |-20.5 |

|Didysis Magelano Debesis |-18.7 |

|Mažasis Magelano Debesis |-16.7 |

|Ryškiausia žvaigždė |-8 |

|Vega (ryški žvaigždė) |+0.5 |

|Sirijus |+1.41 |

|Centauro Alfa |+4.35 |

|Saulė |+4.83 |

|Venera |+28.2 |

|Mėnulio pilnatis |+31.8 |

|100 W lemputė |+66.3 |

9.2 Lentelė. Įvairių objektų absoliutieji ryškiai.

Klausimai

1. Atstumų iki artimiausiųjų žvaigždžių matavimo metodai?

2. Kas tai yra šviesmetis?

3. Kas tai yra parsekas?

4. Kiek kartų skiriasi regimasis ryškis žvaigždžių, priklausančių gretimoms ryškio grupėms?

5. Kokio regimojo ryškio žvaigždės dar matomos plika akimi?

6. Kas yra žymima raidžių seka OBAFGKM?

7. Kokios žvaigždžių charakteristikos susiejamos Hercšprungo-Raselo diagramoje?

10. Žvaigždės gyvenimas ir nuotykiai

Jau kalbėjome, kad iš pirmo žvilgsnio visos žvaigždės yra gana panašios, gal todėl kiek gyvybinga buvo ir dangaus sferos idėja. Vėliau, praeitoje paskaitoje, išsiaiškinome, kad žvaigždės vis tik yra skirtingos, ir kartais netgi žymiai. Dabar pagaliau atėjo laikas išsiaiškinti, kas jas jungia, ir suprasti to lyg ir begalinio žvaigždžių energijos šaltinio prigimtį.

Pamatysime, kokios jos vis tik yra vienodos, besiskiriančios tik pagrindiniu parametru – mase, kuri apsprendžia beveik visas kitas jų savybes.

Saulė, kaip prisimename, yra tipiška vidutinė žvaigždė. Dėl akivaizdžių priežasčių ji yra žymiai geriau ištirta už visas kitas žvaigždes, todėl pirmiausia panagrinėsime jos savybes. Tai padės lengviau suvokti ir visų kitų žvaigždžių ypatybes.

Saulės vidutinis tankis yra 1.41 gramo į kubinį centimetrą. Tai yra ne ką daugiau už vandens tankį, tačiau Saulė greičiau panašesnė ne į skysčio, o į labai įkaitusių dujų rutulį. Jos paviršiuje tankis visai mažas, tačiau einant gilyn jis labai auga ir centre pasiekia reikšmes, dešimtis kartų didesnes už švino tankį. Vis tik tai yra dujos, nes dėl labai aukštos temperatūros įvairios esančios ten dalelės juda tokiais didžiuliais greičiais, kad kokios nors koreliacijos, būdingos skystį arba kietą kūną sudarančioms dalelėms, pasireikšti negali. Betarpiškai matomas yra tik

Saulės paviršius; apie jos vidinę struktūrą galima spręsti tik kombinuojant netiesioginių eksperimentų ir teorijos rezultatus. Gautos tokiu būdu žinios yra patikimos, nauja informacija tik patikslina jau turimą.

Pirmiausia akivaizdu, kad šis dujų kamuolys kažkaip tai laikosi nekolapsuodamas, nesuskildamas ir neišgaruodamas. Yra išsiaiškinta, kad jeigu veiktų tik gravitacinė sąveika, Saulė sukolapsuotų, tai yra susitrauktų į labai mažą kamuoliuką. Tam priešinasi jau minėta didžiulė vidinių dalelių kinetinė energija, sukelianti efektinę slėgio jėgą, priešingą gravitacinei. Šis balansas, vadinamas hidrostatine pusiausvyra, yra patenkintas kiekviename žvaigždės vidiniame taške; kitaip žvaigždę sudaranti medžiaga tekėtų iš sričių, kuriose jėgos nesubalansuotos, į sritis, kur toks balansas jau susigulėjęs, ir pusiausvyra vistiek nusistovėtų.

Išoriniuose Saulės sluoksniuose, kur branduolinės reakcijos nevyksta, vandenilio atomai sudaro net iki 90 %, vidiniuose sluoksniuose jo yra kur kas mažiau – apie 73 %. Kaip minėjau, kitą dalį (viduje – apie 25 %) ten sudaro helio atomai. Kitų elementų yra tik pėdsakai. Tokia Saulės, kaip ir kitų žvaigždžių, sudėtis yra sąlygota jos prigimties ir vykstančių branduolinių reakcijų. Sritis, kurioje tos reakcijos vyksta, užima tik apie

20 % spindulio. Joje tačiau sukoncentruotas apie trečdalis visos Saulės masės, nes būtent toje srityje tankis yra pats didžiausias. Vykstant šioms reakcijoms, apie kurias dar kalbėsime nuodugniau, išsiskiria daug energijos, kurios dalis pavirsta reakcijos produktų kinetine energija (iš čia ir aukšta temperatūra), o kita dalis išspinduliuojama gama kvantų (didelės energijos fotonų) pavidale.

Šie fotonai, daug kartų absorbuoti ir vėl išspinduliuoti ir dėl to praradę energiją, pavirtę visai kitų bangų ilgių fotonais, galų gale pasiekia Saulės paviršių ir išsisklaido erdvėje, apšviesdami ir mus. Jei kelią, lygų Saulės spinduliui, fotonas vakuume nulekia per 2 sekundes, tai Saulėje tą kelią jis įveikia tik per milijoną metų. Taigi, jei branduolinės reakcijos Saulėje staiga nutrūktų, mes to dar nepajustume milijoną metų!

Kaip prisimenate, šis degantis dujų rutulys sukasi, iš jo išlekia ne tik fotonai, bet ir elektringos dalelės, sklindančios į visas puses dideliu greičiu (Saulės vėjas) ir sukamos besisukančios Saulės magnetinio lauko ir tuo pačiu ją stabdančios.

Didžiausia, daug metų neįminta paslaptis, susijusi su Saule, buvo jos energijos šaltinis. Suprasta ji tik šio amžiaus pradžioje, kai Einšteinas paskelbė savo garsiąją formulę

E = m c2 ,

Paaiškinusią, kad masė gali virsti energija, o energija – mase. Deja, tai buvo tik principinė galimybė, kuri galutinai įgavo prasmę tik suformulavus kvantinę mechaniką (1926 metais). Įsigilinus galima suvokti, kad kaip tik pagal šią formulę suvalgytas maistas oksidacijos reakcijos metu virsta energija, reikalinga palaikyti kūno temperatūrą ir funkcionuoti visiems organams.

Minėtos anksčiau maisto virškinimo cheminės reakcijos būtent ir yra tokios, kurių metu susidariusio produkto masė yra šiek tiek mažesnė už reaguojančių molekulių masių sumą. Tas skirtumas ir pavirsta energija. Tas pats vyksta ir degant malkoms, anglims ar dujoms. Deja, išsiskirianti šių reakcijų metu energija yra labai maža palyginus su ta, kurią spinduliuoja kokia nors žvaigždė.

|Medžiaga |Procesas |Laikas, kurį dega, |

|(visur – po vieną | |naudodama sukurtą |

|kilogramą) | |energiją, 100 W lemputė |

|Vanduo |Krenta iš 50 m aukščio, |5 sekundės |

| |beveik kaip Kauno | |

| |hidroelektrinėje | |

|Anglis |Sudega krosnyje arba |8 valandos |

| |šiluminėje elektrinėje | |

|3 procentų įsodrinimo |Skyla reaktoriuje, tokiame|690 metų |

|urano rūda UO2 |kaip Ignalinos atominėje | |

| |elektrinėje | |

|Grynas uranas 235U |Pilnas skilimas, toks kaip|30 tūkstančių metų |

| |pirmosiose atominėse | |

| |bombose | |

|Deuterio ir tričio dujų |Pilna sintezė, tokia kaip |30 tūkstančių metų |

|mišinys |žvaigždėse ar | |

| |šiuolaikinėse | |

| |branduolinėse bombose, | |

| |arba kaip dar taip ir | |

| |nesukurtame | |

| |termobranduoliniame | |

| |reaktoriuje | |

|Medžiaga ir antimedžiaga |Anihiliacija, tokia kaip |30 milijonų metų |

| |pagal Einšteino formulę E | |

| |= mc2 | |

10.1 Lentelė

Kokie energijos, sukauptos vienose ar kitose medžiagose ir atskleidžiamos kokiu nors specifiniu būdu, masteliai, galima spręsti iš 10.1 Lentelės.

Taigi, visa energija, sukaupta medžiagoje, o tiksliau tariant – masėje, yra išties kolosališka, ir netgi daug kartų didesnė už energiją, kurią gamina degančios žvaigždės. Deja, kol kas ji gaunama tik moderniausiuose greitintuvuose, kuriuose susiduria dideliu greičiu priešpriešai judantys dalelių ir antidalelių pluoštai. Mūsų stebimoje Visatos dalyje antimedžiagos labai mažai, bet neperseniausiai vis tik yra užfiksuota spinduliuotė, bylojanti apie kartais vykstančius elektronų ir jų antidalelių – pozitronų – susidūrimus.

Kas gi vyksta žvaigždės viduje? Panašiausias į tiesą scenarijus paskelbtas

Nobelio premijos laureato fiziko H. Betės darbuose apie 1930 metus. Tai yra vadinamasis proton-protoninis ciklas. Jei pamenate, yra nustatyta, kad ir

Saulė, ir jos planetos yra susidarę iš to paties besisukančio dujų (daugiausia vandenilio) ir dulkių debesies, kuriame atsiradus nehomogeniškumui gravitacinės jėgos pritraukia vis naujus ir naujus vandenilio atomus.

Pav. 10.1. Planetiškieji ūkai.

Augant tankiui ir jų energijai, atomai pradeda daužytis vienas į kitą ir jonizuotis. Šis procesas yra nepusiausvyrinis, kadangi gravitacinei jėgai niekas negali pasipriešinti; todėl ilgainiui tankis ir energija taip išauga, kad bet kokie du protonai įgyja pakankamai energijos nugalėti elektrostatinį atostūmį, atsirandantį dėl krūvio vienodumo. Kai tai atsitinka, suartėjus dviems protonams tiek, kad pradeda veikti branduolinės (stipriosios) jėgos, jie gali sulipti, sudarydami deuterio branduolį.

Vienas protonas tokiu atveju pavirsta neutronu; išspinduliuojamas pozitronas ir neutrinas.

Pav. 10.2. Proton-protoninis ciklas.

Šis deuterio branduolys, susidūręs su trečiuoju protonu, gali pagimdyti dar naują branduolį, sudarytą iš dviejų protonų ir neutrono. Susidūrus šiems branduoliams kaip tik ir atsipalaiduoja didžiulė energija, kadangi susidaro alfa dalelė. Jos stabilumas reiškia, kad jos masė yra mažesnė už reaguojančių branduolių ir kitų reakcijos produktų (dviejų protonų) masių skirtumą. „Sutaupyta” masė, sudaranti 0.007 pradinės masės dalį, virsta energija, kurią nusineša gimę dalelės. Prasidėjus tokioms reakcijoms, atsiranda jau minėtas slėgis, besipriešinantis gravitaciniam kolapsavimui, žvaigždė toliau nebesitraukia, o pradeda išlaikyti formą.

Aktualus čia klausimas, kiek laiko užteks Saulei turimo „kuro”. Pasirodo, kad baimintis nėra ko. Saulė dega dar tik apie 5 milijardus metų, ir turimų atsargų pakaktų dar tokiam pat laikui.

Šį rezultatą galima gauti įvertinus, kad apie 10 % Saulės masės, lygios 2 * 1033 gramų, reaguoja, ir suskaičiavus, kiek energijos ( 0.007 pradinės masės dalis) išsiskiria kiekviename minėtame akte, o taip pat pasirėmus prielaida, kad Saulė spinduliuoja visą laiką tokią pat kaip šiuo metu ( 4 * 1033 ergų per sekundę) energiją. Taigi, tai nėra labai grubūs įvertinimai, jie gana patikimi ir gali įkvėpti optimizmą, kad Saulės energijos, kol žmonės išmoks apsirūpinti kokia nors kitokia, mums turėtų užtekti.

Taigi, Saulė yra tipiška vidutinė žvaigždė. Iš vienos pusės tai gerai, bet iš kitos nelabai patrauklu, nes jos studijos duoda nelabai daug informacijos apie tai, kas vyksta kitokiose žvaigždėse ir kas atsitinka vėliau, kai išdega (pavirsta heliu) esantis žvaigždėje vandenilis. Kadangi šis procesas yra negrįžtamas, nes jo metu energija išsiskiria, turi kas tai iš esmės pasikeisti tokios žvaigždės evoliucijoje. Teoriniai tyrimai, o ir stebėjimai, rodo, kad būtent tai ir įvyksta.

Pirmiausia reikia paminėti, kad netgi pradinėje žvaigždės evoliucijos stadijoje, kai deginamas vandenilis, masyvesnėse nei Saulė žvaigždėse lygiagrečiai gali vykti dar ir kitas vandenilio virtimo heliu būdas, vadinamasis CNO (anglies – azoto – deguonies) ciklas. Jo metu keturi vandenilio branduoliai (protonai) galų gale taip pat pavirsta helio atomo branduoliu (alfa dalele), tačiau šis ciklas yra efektyvesnis, nes anglies branduoliai dalyvauja kaip katalizatoriai, o azotas ir deguonis – kaip reakcijos produktai. Tai būdinga viršutiniame kairiajame Hercšprungo –

Raselo diagramos kampe esančioms didelio ryškio ir masės žvaigždėms, tuo tarpu kai pirmasis (proton-protoninis) ciklas labiau savitas dešiniajame apatiniame kampe esančioms, tai yra mažesnio ryškio ir raudonesnėms žvaigždėms. Įskaitant dar ir visokius tarpinius variantus, nustatyta, kad visos žvaigždės, esančios pagrindinėje šios diagramos sekoje, yra jaunos žvaigždės, kuriose pirmuoju, antruoju arba abiem ciklais kartu deginamas vandenilis. Kuo masyvesnė žvaigždė, tuo šios reakcijos joje aktyviau vyksta, tuo didesnis jos ryškis, tuo baltesnė (ar mėlynesnė) ji yra.

Nustatyta, kad masyviose žvaigždėse šios reakcijos vyksta žymiai greičiau negu lengvosiose, todėl masyvios žvaigždės greičiau sudega. Saulės degimo laiką gavome lygų apie 10 milijardų metų. Žvaigždės, kurios masė 20 kartų didesnė, vandenilio deginimo laikas analogiškai vertinant gaunasi tik apie

20 milijonų metų. Mažesnėms žvaigždėms jis gali būti žymiai didesnis net ir už 10 milijardų metų. Deja, dėl fizikinio pobūdžio priežasčių negali susiformuoti nė nepaprastai masyvios, nė itin mažos žvaigždės, nes pirmuoju atveju tai riboja žvaigždės atsiradimo sąlygos (debesies tankis, fluktuacijos dydis ir pan.), kurios negali būti kokios nors iš esmės besiskiriančios nuo vidutinių, o antruoju atveju todėl, kad nesukaupus žvaigždei pirmajame etape pakankamai masės, branduolinės reakcijos iš viso negali prasidėti, kaip matyt ir įvyko formuojantis Jupiteriui, kuris savo sudėtimi labai panašus į Saulę, bet nešviečia.

Pav. 10.3. Žvaigždžių gimimas.

Pav. 10.4. Sietynas – jaunų žvaigždžių spiečius.

Minėjau, kad šie rezultatai gauti teorinių samprotavimų ir skaičiavimų išdavoje, tačiau egzistuoja ir labai įdomi galimybė pasitikrinti šias išvadas. Yra surasta nemažai taip vadinamų žvaigždžių spiečių, turinčių nuo kelių dešimčių iki šimtų tūkstančių žvaigždžių (nepainioti su galaktikomis, turinčiomis jų milijardus). Žvaigždės, sudarančios tokį spiečių, yra susiformavę beveik vienu metu iš to paties dujų debesies, skiriasi tik jų masės. Lengva tokias žvaigždes lyginti, nes jos visos beveik vienodai nutolę nuo Žemės ir paklaidos nustatant atstumus, o tuo pačiu ir absoliučiuosius ryškius, tokiu atveju yra minimalios. Akivaizdu, kad minėta teorija yra patvirtinta tokių spiečių stebėjimais.

Sudegus vandeniliui, žvaigždė išeina iš pagrindinės sekos. Kokioje sekos vietoje tai atsitinka ir į ką ji nuevoliucionuoja, priklauso vėlgi pagrindinai tik nuo žvaigždės masės. Pirmiausia panagrinėkime evoliuciją žvaigždės, kurios masė maždaug lygi Saulės masei, po to atskirai panagrinėsime kaip masyvesnes, taip ir lengvesnes.

Pav. 10.5. Žvaigždžių piramidė.

Saulės tipo žvaigždė, kaip ir visos kitos, degdama tolydžio kinta, nes vandeniliui virstant heliu centrinės dalies tankis ir temperatūra auga.

Auga ir žvaigždės šviesis, taigi ji lėtai juda diagramoje aukštyn, likdama pagrindinėje sekoje. Pakilusi centre temperatūra labiau įšildo ir išorinius sluoksnius, juose irgi prasideda vandenilio degimo reakcijos.

Taip degimo sritis tolydžio plečiasi, kol, praėjus po gimimo maždaug 10 milijardų metų, pasiekia artimas žvaigždės išorei sritis, kuriose gravitacijos jėgos jau nebepajėgia priešintis termobranduolinių reakcijų energijai. Tai reiškia, kad dauguma buvusio žvaigždėje vandenilio jau pavirto heliu.

Čia labai vykusi man atrodo analogija su krosnimi, į kurią pridėjus kuro degtuku uždegama tik labai nedidelė sritis kur nors netoli pakuros. Ugnis toliau pati žino ką daryti – ji plinta į kraštus, įtraukdama į reakciją vis naujas kuro mases ir versdama jas pelenais.

Žvaigždėse tų „pelenų”, kaip pamatysime, yra daug rūšių, ir pirmoji jų yra helis. Kaip minėta, termobranduolinių reakcijų sričiai artėjant prie žvaigždės paviršiaus, gravitacinė trauka jau nebepajėgia atsverti slėgio, atsirandančio dėl aukštos temperatūros srities plitimo. Krosnyje taip neatsitinka, nes plitimą sustabdo jos sienelės.

Šį energijos perteklių žvaigždės paviršiuje galima kompensuoti tik plečiantis išoriniams sluoksniams ir dėl to jiems vėstant. Taip ir atsitinka. Žvaigždės spindulys šioje stadijoje gali labai išaugti – iki 50 kartų. Padidėjus žvaigždės paviršiaus plotui padidėja ir jos šviesis (iki 1500 kartų), nors išorinių sluoksnių temperatūra dėl plėtimosi tolydžio krenta. Žvaigždė virsta raudonąja milžine, telpančia dešiniajame viršutiniame HR diagramos kampe.

Jeigu žvaigždės masė nedidelė, tuo visos branduolinės reakcijos ir pasibaigia. Saulės masės žvaigždei galimas dar vienas šansas sublizgėti –

vadinamasis helio blyksnis. Jis įvyksta todėl, kad vandenilio degimo reakcijai plintant į išorę vidiniai sluoksniai, sudaryti iš helio, pradeda trauktis ir šilti, ir besibaigiant vandenilio degimui temperatūra centre pasiekia reikšmes, pakankamas, kad trys helio branduoliai susidūrę įveiktų kuloninį atostūmį ir suartėtų iki atstumų, kai pradeda veikti branduolinės jėgos.

Tada jie virsta anglies atomo branduoliu, turinčiu šešis protonus ir šešis neutronus. Po tokios reakcijos produkto masė vėl yra mažesnė už susiduriančiųjų trijų branduolių, todėl, kaip ir degant vandeniliui, atsipalaiduoja nemažai energijos. Žvaigždė vykstant šiai reakcijai pradeda gaminti energiją dar ir antruoju būdu. Saulės masės žvaigždėms tuo visos reakcijos ir pasibaigia, tuo tarpu masyvesnėms vykstant helio degimui centre gali susidaryti sąlygos, palankios dar sunkesnių branduolių –

deguonies, neono, magnio ir toliau iki geležies, sintezei. Kadangi geležis, kaip žinome, turi stabiliausią atomo branduolį, tolesnės branduolių sintezės reakcijos vykti nebegali, nes jos neapsimoka energetiškai. Jeigu ir susidaro koks sunkesnis elementas, tai tik grynai atsitiktinai.

Antrą kartą tapusi raudonąja milžine, Saulės tipo žvaigždė degraduoja, nes praranda galimybę gaminti energiją. Ir pirmąjį, ir antrąjį kartą branduolinių reakcijų zonai priartėjus prie žvaigždės paviršiaus, dalis išorinio sluoksnio nulekia į erdvę, kadangi jo niekas nebelaiko, o kinetinė energija yra labai didelė.

Taip atsitikus antrąjį kartą, žvaigždė pradeda pulsuoti, kaskart nusimesdama vis naujus išorinius sluoksnius. Dėl to ji pradeda mažėti. Niekas nebesipriešina gravitacinėms jėgoms, tačiau centre, kuris dabar tampa išore, esanti aukšta temperatūra sąlygoja jos baltą spalvą. Tokia žvaigždė tolydžio vėsta ir traukiasi, kol galų gale tampa baltąja nykštuke. Tai yra gana keistas objektas, kurio masė palyginama su žvaigždės, iš kurios ji išsivystė, mase, o spindulys – su Žemės spinduliu.

Tai sąlygoja labai didelį jos tankį, pasiekiantį tonų į kubinį centimetrą reikšmes. Baltajai nykštukei tolydžio vėstant keičiasi ir jos spalva. Ji tampa raudonąja, po to – rudąja nykštuke ir ilgainiui – visai nematoma.

Masyvesnės už Saulę žvaigždės savo kelią pradeda kitoje HR diagramos vietoje, nes jų šviesis yra didesnis, o spalva – mėlynesnė. Jų gyvavimo laikas mažesnis, todėl viskas vyksta daug greičiau. Tokia žvaigždė gali pereiti ne dvi, bet keletą raudonosios milžinės fazių, įvykstančių pasibaigus eiliniam branduoliniam kurui (vandeniliui, heliui, angliai, deguoniui, neonui ir taip toliau).

Kiekvieną kartą po tokios fazės ji praranda dalį savo masės. Priklausomai nuo to, kiek masės liko, galimi keli tolesnės evoliucijos išdegus visam branduoliniam kurui, variantai. Jei lieka mažiau kaip 1.4 Saulės masės, ji, kaip ir Saulė, evoliucionuoja į baltąją nykštukę. Jei likusi masė didesnė už šią, bet mažesnė už 2 – 3

Saulės mases, ji galų gale, po sprogimo, tampa neutronine žvaigžde.

Neutroninės žvaigždės atsiranda, kai kolapsuojant žvaigždei elektronas ir protonas gali susispausti taip, kad įvykus specifinei reakcijai iš jų susidaro neutronas. Atsiradusių neutronų tolesnis suspaudimas tokios masės žvaigždei neįmanomas, todėl ji ir lieka neutronine žvaigžde. Kaip prisimenate, nei iš dviejų, nei iš trijų ir taip toliau neutronų stabilūs branduoliai nesusidaro. Neutroninė žvaigždė irgi nėra darinys, panašus į kokio nors elemento branduolį, nes ji laikosi ne dėl stipriosios, o tik dėl gravitacinės sąveikos. Jos savybės dar fantastiškesnės už baltosios nykštukės savybes, nes diametras sudaro ne daugiau kaip 10 kilometrų, o masė, kaip minėjau, lygi maždaug dviems Saulės masėms. Pabandykite paskaičiuoti jos tankį!

Esant dar didesnėms liekamosioms masėms, sudegusi žvaigždė sprogsta, sužibėdama kaip supernova, ir iš jos liekanos išsivysto juodoji skylė (bedugnė), tai yra pats egzotiškiausias iš visų kol kas minėtų objektų, reiškiantis visišką gravitacijos jėgų pergalę prieš visas kitas, visus fizikos draudimus ir pagrindines taisykles. Ilgą laiką buvo manoma, kad jų iš viso neįmanoma pastebėti, tačiau dabar ši nuomonė jau yra kiek pakitusi.

Pav. 10.6. Krabo ūkas – liekana supernovas, kurią kiniečiai užfiksavo 1054

metais.

Pav. 10.7. Įvairių supernovų liekanos.

Pav. 10.8. 1987 A supernova prieš sprogimą ir tuoj pat po jo.

Žvaigždei kolapsuojant, tai yra mažėjant jos spinduliui, gali ateiti toks momentas, kad pirmasis kosminis greitis, tai yra greitis, būtinas įveikti to objekto traukos jėgą, gali pasidaryti didesnis už šviesos greitį.

Tai įvyksta, kai objekto spindulys sumažėja iki taip vadinamo Švarcšildo spindulio, kuris Saulei lygus 3 kilometrams, Žemei – 9 milimetrams ir panašiai; yra formulė jam suskaičiuoti. Tokiu atveju iš taip susitraukusio objekto negali „pabėgti” netgi fotonai.

Jei taip, tai jokia informacija iš kūno, susitraukusio iki šios sferos arba mažesnių matmenų, išeiti į išorę negali. Tai ir yra juodoji skylė. Logiška galvoti, kad jų tuo pačiu negalima ir aptikti, tačiau tai nėra visai teisinga. Pasirodo, toks objektas, turintis didelę masę, gali pasireikšti iškreipdamas apie save erdvę. Jei jis būtų vienas iš dvinarės žvaigždės narių, tai antrojo objekto

– matomosios žvaigždės judėjimo pobūdis gali stipriai pasikeisti. Stebint tokios žvaigždės judėjimą, galima identifikuoti jos partnerę. Juodoji skylė gali taip pat iškraipyti praskriejančius pro šalį fotonus, tai irgi gali padėti ją aptikti.

Tuo ir galima būtų baigti žvaigždžių gyvenimo apžvalgą. Visatoje yra stebimos praktiškai visos minėtos vystymosi fazės, pradedant gimimu iš dujų ir dulkių debesies ir baigiant juodaja skyle. Matomi ir dar įdomesni procesai, kai evoliucionuojant žvaigždžių poros nariams jie pradeda įtakoti vienas kitą ne tik gravitacinėmis jėgomis, bet ir betarpiškai. Materija gali tekėti iš vienos žvaigždės į kitą, ir buvusi blyški nykštukė gali tapti ryškia žvaigžde, vadinama nova. Po kiek laiko, jai sudegus, gali vykti atvirkščias procesas, ir taip toliau. Taigi žvaigždės tarsi gyvena, bendradarbiauja, kaip kokios firmos, vienos bankrutuodamos, kitos – jų sąskaita išsiplėsdamos, ir šiaip patirdamos visokius kitokius netikėčiausius nuotykius.

Klausimai

1. Kas apsprendžia žvaigždės gyvavimo laiką?

2. Kokiam procesui pasibaigus žvaigždė išeina iš pagrindinės sekos?

3. Žvaigždės energijos šaltinis?

4. Kas yra bendra Baltajai nykštukei, Neutroninei žvaigždei ir Juodajai skylei?

5. Kas tai yra Juodoji skylė?

6. Kokie branduoliai gaminasi degant žvaigždei?

7. Kokių žvaigždžių mūsų Galaktikoje daugiausia?

11. Paukščių Takas ir kitos galaktikos

Dar Niutonas ir Hiuigensas manė, kad žvaigždės yra daugiau ar mažiau tolygiai išbarstytos begalinėje Visatoje. Su tokiu įvaizdžiu silpnai derinosi tai, ką galima pamatyti giedrią naktį pakėlus žvilgsnį nuo žemės.

Lengvai pastebima, kad daugiausia žvaigždžių yra išsidėstę gana siauroje netaisyklingos formos juostoje, einančioje išilgai dangaus skliauto.

Senovės romėnai ją vadino Via Lactea (panašiai skamba ir panašios kilmės yra ir pats žodis “Galaktika”, graikų kalboje galaktikos reiškia pienišką, pieninį), anglakalbėje literatūroje ji identifikuojama kaip Milky Way, mes vėlgi turime originalų ir gana vykusį pavadinimą – Paukščių Takas. Bene pirmajam, kiek žinoma, tai parūpo išsiaiškinti Tomui Raitui (1711 – 1786).

1750 metais jis atspausdino knygą, kurios pavadinimas užimtų per daug vietos, todėl nesiryžtu jo versti. Svarbu tai, kad ji buvo skirta Visatos modeliui, galinčiam paaiškinti Paukščių Tako buvimą. Autorius teigė, kad žvaigždės, panašiai kaip planetos, juda apie kažkokį tolimą centrą apskritiminėmis orbitomis, esančiomis maždaug toje pat plokštumoje, labai panašiai kaip planetos apie Saulę. Imanuelis Kantas (1724 – 1804), kurio senelis iš Priekulės savo laiku persikėlė į Karaliaučių beveik visai nemokėdamas vokiškai, tuo metu dirbęs gamtos ir matematikos mokytoju, iš laikraščio sužinojęs apie šią knygą, susidomėjo astronomija ir pašventė jai keleta metų. Jo knygoje „Visuotinė dangaus istorija ir teorija”, skelbtoje

1755 metais, galima rasti daug dar ir šiandien vertingų minčių, kurios profesionalių astronomų ilgą laiką buvo ignoruojamos. Kanto samprotavimai paremti griežta logika. Jis pradeda nagrinėjimą nuo to, kad kaip Saulės sistema, taip ir galaktika, kuri tuo metu buvo tapatinama su Visata, yra atsiradusios veikiant tai pačiai gravitacinei sąveikai.

Dėl šios priežasties jų panašumas ne tik kad neturėtų stebinti; greičiau būtų keista, jei jo nebūtų. Taip samprotaujant nesunkiai seka jau minėta išvada, kad žvaigždės gali suktis apie kokį nors centrą apskritiminėmis arba elipsinėmis orbitomis. Toliau Kantas netgi drįso prognozuoti, kaip atrodytų ši žvaigždžių sistema žiūrint iš šono.

Taigi, jei žiūrime statmenai sukimosi plokštumai, ji turėtų atrodyti kaip skritulys, o iš šono,- kaip elipsė. Toliau jis teigė dar daugiau: kadangi žvaigždės išsidėstę retai, tai toks darinys, žiūrint iš didelio atstumo, kai neįmanoma atskirti žvaigždžių, turi atrodyti kaip nelabai šviesus beveik vienodo ryškio diskas.

Toliau jis teigė, kad panašūs žvaigždžių dariniai yra astronomų matomi kaip ūkai – nedidelės šviečiančios dėmės.

Šie Kanto teiginiai stebėtinai tikslūs, tačiau tik po šimto metų, sukonstravus spektroskopą ir rūpestingai juo patyrinėjus žvaigždes ir ūkus, surasta, kad spiraliniai ūkai turi tokio pat tipo spektrus, kaip ir žvaigždės, tuo tarpu kai dujų ūkų, kurie gana dažni mūsų galaktikoje, spektrai buvo sudaryti iš atskirų linijų.

Taigi, Kantas pirmasis suprato astronominės Visatos, kaip sujungtų traukos jėga sistemų visumos, struktūrą, kuri profesionalams dėl tvirtai nustatytų eksperimentinių faktų trūkumo buvo neaiški iki pat 20 amžiaus pradžios.

Pav. 11.1. Paukščių Tako struktūra.

Šiandien apie mūsų Galaktiką (skirtingai nuo kitų pavadinimas rašomas iš didžiosios raidės) – Paukščių Taką, žinoma labai daug. Tai yra viena didžiausių ir gražiausių iš visų stebėtų galaktikų. Ją sudaro apie 400

milijardų žvaigždžių, jos masė lygi 140 milijardų Saulės masių, o šviesis –

20 milijardų Saulės šviesių. Kasmet joje gimsta apie 10 naujų žvaigždžių.

Jos aplinkoje skrieja keleta artimų nykštukinių galaktikų, kurias Paukščių

Tako sukeltos potvynio jėgos ardo ir susiurbia.

Tipiškas žvaigždžių tankis Saulės kaimynystėje yra apie 20 žvaigždžių į kubinį parseką. Visumoje Paukščių Takas panašus į sudėtus vieną ant kito du

CD diskus su nemaža tankia sfera centre ir apiplyšusiais pakraščiais, sudarytais iš atskirų spiralinių „vijų”. Disko diametras yra apie 30 Kpc

(Kiloparsekų, tai yra tūkstančių parsekų), centrinio rutulio diametras –

apie 10 Kpc, o disko storis – tik keli šimtai parsekų. Saulė su visais savo šeimos priklausiniais sukasi apie Galaktikos centrą nutolusi nuo jo maždaug

8.5 Kpc atstumu, apsukdama pilną ratą per 210-250 milijonų metų. Taigi, per visą savo gyvenimą Saulė yra padariusi ne ką daugiau kaip 20 apsisukimų.

Šviesa nuo vieno Paukščių Tako pakraščio iki kito sklinda apie 130 000

metų, todėl verta bent trumpai pasiaiškinti, kaip galima išmatuoti tokius atstumus, nes jokie anksčiau minėti metodai šiuo atveju nebetinka.

Principas, kuriuo paremti šie matavimai, taip pat yra gana paprastas.

Kaip prisimenate, jei žinomas kokio nors šviesulio absoliutusis ryškis, tai yra kiek ir kokių fotonų jis išspinduliuoja per vienetinį laiką, ir žinomas jo regimasis ryškis, tai yra kiek tų fotonų per vienetinį laiką krenta į ploto vienetą Žemėje, tai galima surasti atstumą iki to šviesulio, nes tie fotonai toldami nuo šaltinio pasiskirsto vis didesnėje ir didesnėje sferoje, kurios spindulys lygus fotonų sklidimo laikui, padaugintam iš šviesos greičio.

Svarbiausias čia, be jokių abejonių, yra absoliutusis ryškis, nes matomąjį galima lengvai užfiksuoti nieko per daug neišradinėjant. Kaip surasti jį? Prisiminkime HR diagramą. Jeigu galima nustatyti, kad žvaigždė priklauso pagrindinei sekai, tada jos absoliutusis ryškis yra labai paprastai, beveik tiesiai proporcingai, surištas su spalva. Spalvą gi galima identifikuoti praktiškai bet kokiu atstumu esantiems objektams, po to pagal ją iš diagramos nustatę absoliutųjį ryškį kartu lengvai surandame ir atstumą.

Laimei, tai yra ne vienintelis metodas matuoti atstumams iki tolimų žvaigždžių. Galima dar pasinaudoti ir gana specifinėmis kai kurių žvaigždžių savybėmis. Jei prisimenate, pasibaigus žvaigždės branduolinėms reakcijoms ji tampa milžine ir po to gali dar kurį laiką pulsuoti, nusimesdama atvėsusius paviršinius sluoksnius, vėl sublizgėdama ir taip toliau. Tokių pulsacijų periodai yra patys įvairiausi, pradedant nuo dienos dalių ir baigiant poros metų ilgiu. Šios žvaigždės vadinamos cefeidėmis (šis pavadinimas kilo pagal prototipą, kadangi pirmoji, dar aštuonioliktajame amžiuje pastebėta tokio tipo žvaigždė priklausė Cefėjaus žvaigždynui), turi absoliutųjį šviesį, koreliuotą su pulsacijų periodu.

Patyrinėjus tokias žvaigždes Magelano Debesyse, tai yra artimosiose nedidelėse galaktikose, kur visos esančios žvaigždės yra beveik vienodai nutolę nuo Žemės, šis ryšys ir buvo nustatytas. Kadangi cefeidės yra gigantiškos žvaigždės, jų ryškis yra didelis, jos gali būti pastebėtos iš didelių atstumų, ir pulsavimo periodas vėlgi lengvai išmatuojamas, tai šis atstumų matavimo metodas pasirodė esąs labai efektingas.

Kaip matome, netgi tokiems didžiuliams atstumams matuoti surasta įdomių ir rafinuotų būdų, žmogaus proto galia yra išties įspūdinga.

Žiūrėdami į tankią žvaigždžių juostą, tą patį Paukščių Taką, lengvai galime suvokti, kad Saulės sistema randasi Galaktikos diske. Ne taip paprasta nustatyti, kokioje būtent vietoje, kaip toli nuo centro ar pakraščio mes esame. Pirmoji idėja surasti Galaktikos centrą buvo paremta tuo, kad centras tam ir yra centras, kad jame būtų daugiau negu kur nors kitur žvaigždžių. Pirmieji, atlikti 1917 metais Šarpli, matavimai parodė, kad

Galaktikos centras yra nuo mūsų keletos Kpc atstume.

Kita idėja buvo paremta žvaigždžių sukimosi apie Galaktikos centrą santykinių greičių matavimais. Juos nustačius nesunku sužinoti, apie kokį tašką tos žvaigždės sukasi. Tokiu būdu buvo surasta, kad šis atstumas yra kiek mažesnis nei 10 Kpc. Tobulėjant matavimų kokybei, dabar apsistota prie jau minėto 8.5 Kpc dydžio. Šie matavimai davė ir dar kitokios informacijos, ne tik apie Saulės, bet ir apie kitų Galaktikos žvaigždžių judėjimą.

Pasirodė, kad žvaigždės, esančios pačiame centre, sukasi pagal visas beveik kieto kūno sukimosi taisykles, tai yra objektai, labiau nutolę nuo centro, kaip karusėlėje, juda didesniu linijiniu greičiu, taip kad santykinis esančių Galaktikos branduolyje žvaigždžių judėjimas viena kitos atžvilgiu yra nežymus. Disko žvaigždžių judėjimo pobūdis yra kiek kitoks. Kadangi jų sąveika silpna, labiau nuo centro nutolę žvaigždės juda lėčiau, panašiai kaip planetos, pagal Keplerio dėsnius. Tai yra viena iš priežasčių, sukeliančių Galaktikos vijų deformacijas.

Paukščių Tako masei surasti reikia vėlgi kiek pagudrauti. Pirmiausia, žinant Galaktikos matmenis ir žvaigždžių tankumą Saulės aplinkoje, galima gauti pirmąjį įvertinimą. Jis, aišku, nėra labai tikslus, nes žvaigždės pasiskirstę ne homogeniškai, jų tankis įvairiuose taškuose yra skirtingas.

Geresnė yra idėja, kad pakraščio žvaigždėms, judančioms pagal Keplerio dėsnius, galioja tie patys sąryšiai, kaip planetoms, pagal kurių judėjimo pobūdį matavome Saulės (šiuo atveju galime matuoti Galaktikos branduolio)

masę. Šiuo būdu gaunamas rezultatas, kiek mažesnis už realų, nes Saulės judėjimą įtakoja tik jos orbitos viduje esančios žvaigždės.

Baigiant piešti Paukščių Tako portretą, reikia paminėti ir tarpžvaigždinę aplinką. Daug kur pasebėti tankūs dujų ir dulkių debesys, užpildantys erdvę tarp žvaigždžių. Nustatyta, kad jie sudaro apie 10 – 15 % Galaktikos disko masės. Žvaigždžių šviesa, plintanti per tokią aplinką, tampa blausesnė arba yra beveik visai sugeriama. Šis reiškinys vadinamas tarpžvaigždine ekstinkcija. Kaip jau anksčiau išnagrinėjome kalbėdami apie Saulės šviesos plitimą atmosferoje, raudona šviesa tokiu atveju praeina geriau negu mėlyna, todėl tolimesnės žvaigždės atrodo raudonesnės, negu yra iš tikrųjų.

Jei į šį reiškinį deramai neatsižvelgiama, jis kiek iškraipo minėtų matavimų rezultatus. Patys debesys, kurie daugumoje yra ne kas kita, o atliekos, atsirandančios galutinai sudegus ir gal susprogus senoms žvaigždėms, yra kartu ir labia svarbi žaliava susidaryti naujoms žvaigždėms. Taigi, jų rolę formuojantis vis naujoms ir naujoms žvaigždėms sunku pervertinti. Jie yra labia svarbi Galaktikos sudėtinė dalis.

Tik prieš keletą dešimtmečių pagaliau yra susiformavęs ir šiuolaikinis

Paukščių Tako įvaizdis. Tai yra spiralinė galaktika, kadangi minėtos spiralinės vijos, nutįstančios į visas puses, turi panašumą į spyruoklę.

Vijų buvimas nereiškia, kad žvaigždės tik jose ir išsidėstę; pakankamai daug žvaigždžių yra ir srityse tarp vijų, tik kiek skiriasi jų kokybė.

Priežastis ta, kad vijos yra būtent tos sritys, kuriose yra daugiausia tarpžvaigždinių dujų ir dulkių, todėl būtent jose yra daugiausia didelio ryškio jaunų O ir B klasės žvaigždžių. Srityse tarp vijų randasi senesnės, ne tokios ryškios žvaigždės, todėl, nors jų ir daug, minėta spiralinė struktūra lengvai pastebima.

Paslaptingiausia Paukščių Tako sritis, be jokios abejonės, yra jo centras, kuriame randasi dauguma žvaigždžių, o jos stebėjimas labiausiai apsunkintas minėtų dujų ir dulkių debesų. Vis tik nustatyta, kad jį sudaro sąlyginai senos ir nedidelio šviesio žvaigždės. Dėl tarpžvaigždinės ekstinkcijos šios srities stebėjimas matomos šviesos diapazone yra apsunkintas, tačiau infraraudonųjų arba radio bangų diapazonuose jis yra visai pakenčiamas. Šie stebėjimai rodo, kad Galaktikos centre vyksta išties keisti įvykiai.

Nustatytas žymus turbulentinis debesų judėjimas centro aplinkoje, o taip pat didelės masės, dideliu greičiu besiveržiančios į išorę. Iš kitos pusės, centre surastas kažkoks paslaptingas objektas, spinduliuojantis nenormaliai daug rentgeno spindulių. Jis yra maždaug vieno parseko diametro, tačiau jo masė vertinama kaip lygi milijonui Saulės masių, nes besisukantys artimiausioje jo aplinkoje debesys, senos šaltos žvaigždės ir kiti kūnai juda beveik pagal Keplerio dėsnius. Tai yra arba koks tai naujo tipo objektas, arba, kas labiausiai tikėtina, didelė juodoji skylė, ryjanti iš aplinkos didžiuliu greičiu mases ir todėl taip intensyviai spinduliuojanti.

Tai, kas minėta, irgi dar ne viskas. Pastaruoju metu aktyviai diskutuojamas

Galaktikos halo (tamsiojo vainiko) klausimas. Kai kurie matavimai rodo, kad nemaža, o gal ir žymi (ekstremistai ją vertina iki 90 %) dalis galaktikų masės yra sukoncentruota ne diske ar centre, o jų išorėje, kuri Paukščių

Takui galėtų būti išplitusi į visas puses iki 100 Kpc diametro. Būtent tai ir vadinama halo, būtent šios srities savybių tyrimas yra viena įdomesnių šiuolaikinių astrofizikos problemų.

Dar iki antrojo mūsų amžiaus dešimtmečio buvo manoma, kad Paukščių Takas yra vienintelė struktūra astronominėje visatoje, o stebimi ūkai yra jo sudėtinės dalys. Gali būti, kad čia vėl pasireiškė amžinas žmonijos noras bent kuo išsiskirti Visatoje, kuriam niekaip nelemta išsipildyti. Kaip matėme, nei Lietuva, nei Žemė, nei Saulė niekuo neišsiskiria tarp kitų panašių objektų. Tas pats ir su mūsų Galaktika. Blankūs neaiškios formos objektai, išbarstyti šen bei ten erdvėje, kai kurie matomi plika akimi, pasirodė esą ne Paukščių Tako sudedamosios dalys, o esantys labai toli už

Galaktikos ribų objektai. Kadangi jų spektrų pobūdžiai yra visai kitokie, nei pavienių žvaigždžių, jie identifikuojami tik kaip tolimos galaktikos.

Edvinas Hablas tai įrodė 1924 metais, suradęs cefeides Andromedos ūke, nustatęs jų dažnius, tuo pačiu ir absoliučiuosius ryškius bei apskaičiavęs atstumus ir šį ūką „pavertęs” galaktika.

Po šio atradimo Hablas pradėjo labai sistemingas galaktikų paieškas ir studijas. Reikia pastebėti, kad Hablas, kaip ir savo laiku Galilėjus, turėjo unikalų savo laikmečiui teleskopą. Tai buvo Maunt Vilson observatorijos 100 colių teleskopas, didesnio diametro už tą, kuris veikia

Molėtų observatorijoje. Protingas mokslininkas, turintis unikalų prietaisą, gali nugriauti kalnus! Taip įvyko ne tik šiuos du kartus, yra ir kitų panašių atvejų, tik ne taip tiesiogiai surištų su astronomija.

Pirmiausia Hablas nustatė, kad galaktikos grubiai gali būti suskirstytos į dvi dideles klases – eliptines ir spiralines galaktikas. Pirmąsias jis pažymėjo raide E ir vienu sveiku skaičiumi, rodančiu galaktikos ištęstumo laipsnį: E0 reiškia visiškai sferišką, o E7 – suplotą kaip diskas galaktiką. Spiralinės galaktikos žymimos raide S.

Pav. 11.2. Keleta spiralinių galaktikų.

Toliau jos skyla į dvi klases – pirmąją (S) su normaliomis vijomis, kuri turi dar tris tipus – Sa, Sb ir Sc pagal savo branduolio dydį mažėjimo tvarka, ir antrąją klasę – su skerse (SB – spiral galaxie with barred spirals) taip pat su trimis tipais pagal branduolio dydį – SBa, SBb ir SBc.

Pav. 11.3. Spiralinės galaktikos su skerse.

Spiralinė galaktika, turinti tik branduolį ir diską, bet be rankovių, žymima S0. Manoma, kad Paukščių Takas yra Sb tipo galaktika. Nedidelis kiekis galaktikų netilpo į jokias klases, jos klasifikuojamos kaip nereguliarios I arba II tipo galaktikos, žymimos Ir I arba Ir II

(Irregulars). Kaip tyčia, dvi artimiausios galaktikos – Didysis ir Mažasis

Magelano Debesys yra būtent netaisyklingosios, Ir I tipo.

Pav. 11.4. Netaisyklingosios galaktikos.

Ryškiausioji mūsų galaktikų grupei priklausanti galaktika – Andromedos galaktika – yra panaši į Paukščių Taką, tai yra Sb tipo galaktika, tik kiek didesnė.

Pav. 11.5. Andromedos ūko galaktika.

Atstumai iki šių nelabai tolimų galaktikų (iki milijonų parsekų, 1 Mpc =

1000 Kpc) gali būti matuojami minėtu cefeidžių dažnių registravimo metodu.

Daug galaktikų, deja, yra ir dar tolesnėse srityse. Jose išskirti cefeides darosi jau nebeįmanoma, todėl buvo sugalvoti dar rafinuotesni atstumų matavimo būdai. Pirmasis paremtas tuo, kad pačios šviesiausios žvaigždės yra vienodos visose galaktikose, nes, kaip ir visų žvaigždžių, taip ir jų, švytėjimas paremtas tais pačiais fizikos dėsniais ir procesais, turinčiais natūralias galingumo ribas. Tokios žvaigždės yra žymiai ryškesnės už cefeides, todėl jas galima išskirti galaktikose, nutolusiose iki dešimčių

Mpc. Kai ir šito nebeužtenka, tenka griebtis dar egzotiškesnių objektų –

supernovų, tai yra sprogstančių pasenusių žvaigždžių, kurių ryškis gali būti dar didesnis. Deja, tai yra reti įvykiai, ir ne visose galaktikose jie stebėjimo momentu vyksta. Paskutinis tokio tipo būdas itin dideliems atstumams matuoti paremtas idėja, kad galaktikų spiečiuose ryškiausios galaktikos turėtų būti panašaus galingumo. Suradus tokias, galima bent jau palyginti atstumus iki atskirų spiečių.

Šiuo metu yra neblogai ištyrinėtos įvairiausių galaktikų, kurių yra nesuskaičiuojama daugybė, savybės. Galaktika, kaip matėme, yra vienas iš esminių Visatos struktūros elementų. Pačios galaktikos, kaip pastebėta, linkę jungtis, kaip ir žvaigždės, į grupes, vadinamas spiečiais. Spiečiai savo ruožtu sudaro superspiečius, o visa stambioji Visatos struktūra atrodo panaši į kempinę ar muilo putas, tai yra struktūras, turinčias viduje sferines tuštumas iki 100 Mpc diametro. Susidaro įspūdis, lyg tai tų tuštumų viduje kadais buvo kažkas susprogdinta, ir tų sprogimų liekanos (galaktikos) išsilakstė į visas puses.

Pav. 11.6. Stambioji Visatos struktūra.

Paukščių Takas priklauso taip vadinamai Vietinei galaktikų grupei, jungiančiai maždaug 30 galaktikų.

Pav. 11.7. Vietinės galaktikų grupės žemėlapis.

Tiksliai nustatyti jų skaičių sunku, nes egzistuoja tam tikra stebėjimų iš

Žemės specifika, pasireiškianti tuo, kad dujų ir dulkių debesys, sukoncentruoti Galaktikos disko aplinkoje, labai absorbuoja sklindančią šviesą. Dėl šios priežasties daugiausia galaktikų stebima kryptimi, statmena Paukščių Tako disko plokštumai, gi kryptimis, lygiagrečiomis jai, galaktikų pamatyti neįmanoma. Apie jų buvimą ten galima spręsti tik remiantis analogijomis. Kadangi mūsų Galaktika niekuo neišsiskiria, tai neturėtų būti kokių nors netikėtumų, nes ji negali ženkliai įtakoti visos

Visatos savybių. Ryškiausios Vietinės grupės galaktikos yra jau žinomas

Andromedos Ūkas ir Paukščių Takas. Atstumas iki Andromedos Ūko įvertintas apie 700 Kpc. Abu Magelano debesys, matomi iš pietų pusrutulio, todėl pirmiausia pastebėti Magelano ekspedicijos keliauninkų, yra Paukščių Tako palydovai, esantys tarp 50 ir 65 Kpc atstumuose. Andromedos ūkas yra tolimiausias objektas, matomas plika akimi.

Svarbiausia išvada, kurią galima padaryti iš Hablo ir vėlesnių galaktikų pasiskirstymo Visatoje stebėjimų, yra ta, kad bet kokia matomosios Visatos dalis yra tokia pati kaip kitos ir jokios galaktikų supersistemos, atskirtos nuo likusio pasaulio, neegzistuoja. Matyt, toks pat neunikalus yra ir gyvybės egzistavimas Žemėje.

Klausimai

1. Kas tai yra cefeidės?

2. Kas tai yra ūkas?

3. Kokios pagrindinės galaktikų klasės?

4. Tarpgalaktinių atstumų matavimo metodai?

5. Koks objektas galėtų būti mūsų Galaktikos centre?

12. Visatos struktūra ir laiko istorija

Viskas, apie ką mes iki šiol kalbėjome esant Visatoje, pradedant nuo mažiausių ir baigiant didžiausiais jos dariniais, jei pastebėjote, juda ir evoliucionuoja. Nėra nė vieno sustingusio arba sustabarėjusio, vieną kartą visiems laikams pagaminto, užvesto ir paleisto, arba tuo labiau nuolatos varomo ar raginamo judėti objekto. Judėjimas yra natūrali šios sistemos būsena. Jeigu pabandytume sustabdyti ir užfiksuoti planetas, žvaigždes ar galaktikas, jas laikyti rimties būsenoje reikėtų neįsivaizduojamų pastangų, o paleistos jos vėl pradėtų judėti kaip judėję. Šio judėjimo „variklis” yra gravitacinė sąveika, veikianti tarp bet kokių kūnų. Dėl šios sąveikos, materijos struktūros ypatybių ir savo prigimties Visata vadinama dinamine.

Kaip matėme, ta pati sąveika, priklausomai nuo gravituojančios sistemos pobūdžio ar dydžio ir kitų sąveikų bei įvairių virsmų buvimo gali sukelti įvairiausio pobūdžio judėjimus. Pavyzdžiui, ji suspaudžia materiją į juodąją skylę, išlaiko neutronus neutroninėje ir atomų branduolius degančioje žvaigždėje, fiksuoja planetas jų orbitose, valdo žvaigždžių judėjimus galaktikose bei chaotišką galaktikų judėjimą galaktikų spiečiuose. Yra tačiau dar vienas, bene mažiausiai lauktas, nei graikų, nei

Kanto nenuspėtas ir niekaip iš šventųjų raštų neišprotaujamas galaktikų judėjimo pobūdis, surastas E.Hablo 1929 metais. Tai – nuolatinis Visatos plėtimasis.

Jei atsimenate, Doplerio efektas teigia, kad judančio šaltinio spektras, priklausomai nuo judėjimo imtuvo atžvilgiu krypties, gali būti pastumtas į raudonąją, jei atstumas didėja, ir mėlynąją, jei jis mažėja, pusę. Po to, kai Hablas suklasifikavo galaktikas pagal jų išvaizdą, jis pradėjo matuoti ir tyrinėti jų spektrus. Pasirodė, kad beveik visų galaktikų spektrai pasistūmę į vieną ar kitą pusę. Daugumos tie poslinkiai buvo raudonieji, tik vienos – kitos galaktikos – mėlynieji. Kaupiantis statistikai pradėjo ryškėti, kad mėlynieji poslinkiai būdingi tik pačioms šviesiausioms, taigi ir artimiausioms, priklausančioms Artimąjai Grupei, galaktikoms, ir gali būti beveik pilnai paaiškinti Saulės judėjimu apie Paukščių Tako centrą.

Visų kitų galaktikų spektrai turėjo būdingus raudonuosius poslinkius, tai yra jos tolo nuo Žemės! Žemė arba bent jau Saulė, ar galų gale Paukščių

Takas vėl tapo Visatos centru? Deja, ne. Pabandykime tai išsiaiškinti.

Patys raudonieji poslinkiai dar nieko per daug nereiškė. Jie kai kurioms galaktikoms buvo išmatuoti dar prieš Hablą. Nauja buvo tai, kad Hablas, įvertinęs pagal cefeidžių ryškius, supernovas arba ryškiausias žvaigždes dar ir atstumus iki atitinkamų galaktikų bei nusibraižęs grafiką, kurio vienoje ašyje buvo atidėti šie atstumai, o kitoje – raudonieji poslinkiai arba proporcingi jiems galaktikų judėjimo greičiai, pamatė, kad stebėtos galaktikos grafike, panašiai kaip ir Hercšprungo – Rasselio diagramoje, sugulė beveik tiksliai ant tiesės. Antrą kartą skurdi informacija apie

Visatą pasitarnavo gilioms išvadoms.

Pav. 12.1. Hablo diagrama.

Šį kartą tai reiškė, kad galaktikos tolimo nuo mūsų greitis yra tiesiog proporcingas jos atstumui nuo Žemės (Saulės ar gal ir Paukščių Tako, nes atstumai tarp galaktikų tokie dideli, kad šie smulkūs skirtumai jokios rolės nevaidina), tai yra, kad v = H ( r ,

kur H yra taip vadinama Hablo konstanta, v – minėtas greitis, o r –

atstumas.

Prieš keletą metų tas pats Hablas buvo suradęs, kad galaktikos beveik tolygiai išsidėstę Visatoje. Šis įrodymas paremtas tokia gražia ir taip lengvai patikrinama idėja, kad tiesiog negaliu apeiti jo nepaminėjęs.

Tarkime, kad visos galaktikos yra visiškai vienodos, ir jų spindesiai lygūs

L, o jų skaičius įsivaizduojamame rutulyje, kurio spindulys R, yra lygus N.

Kadangi to rutulio tūris yra V = 4/3(R3 , tai galaktikų, esančių tame rutulyje, tankis yra

( = N/V.

Pabandykime panagrinėti, kokios išvados galėtų sekti iš prielaidos, kad šis tankis yra pastovus visur Visatoje. Tarkime, turime prietaisą, kurio minimalus energijos srauto tankis, būtinas stebėti kokiai nors galaktikai, yra l. Aišku, kad tuo prietaisu matysime ne visas galaktikas, o tik tas, kurios yra ne toliau negu atstumu R0, nes, kad pastebėtume tokią galaktiką,

L/ R02 turi būti ne mažesnis už l. Taigi, stebėdami šiuo prietaisu visomis kryptimis, pamatysime tik N0 = ( *4/3(R03 galaktikų. Iš kitos pusės, kadangi R02 = L/l, galime surasti, kad

N0 = 4/3((L3/2 / l3/2.

Svarbiausias šioje išraiškoje yra paskutinysis narys, nes tik jis charakterizuoja stebėjimo prietaisą. Kokios bebūtų tos galaktikos, charakterizuojamos spindesiu L, kokiu tankiu ( jos bebūtų pasiskirstę erdvėje ir netgi kokiame erdviniame kampe beatliktume stebėjimus, vistiek aptinkamų tuo prietaisu galaktikų skaičius bus proporcingas l-3/2.

Tai reiškia, kad patobulinę prietaisą taip, kad galėtume, tarkime, pastebėti keturis kartus blyškesnes galaktikas, tai yra kad naujasis l būtų keturis kartus mažesnis už ankstesnįjį, turėtume toje pačioje erdvės srityje pamatyti aštuonis kartus daugiau galaktikų, kadangi (l/4)-3/2=8*l-

3/2. Eksperimentai šią išvadą nuolatos patvirtina, o tai reiškia, kad

Visata visur yra tokia pati, ir plečiant regėjimo lauką nematoma nei kokia nors jos pabaiga, nei kokia nors riba, nei kokie bebūtų nehomogeniškumai.

Kaip tai suderinama su jos nuolatiniu plėtimusi?

Sugalvota keleta itin vaizdžių analogijų, padedančių išsiaiškinti Visatos plėtimosi, nepažeidžiančio išvados apie jos homogeniškumą, ypatybes. Pati patraukliausia atrodo Visatos analogija su mielinės tešlos, kurioje tolygiai pasiskirstę razinos, augimo procesu.

Pav. 12.2. Mielinės tešlos su razinomis augimo dinamika.

Tarkime, kad iš pradžių visos razinos išdėstytos tešloje 1 centimetro kubelių viršūnėse, tai yra taip, kad mažiausias atstumas tarp bet kokių dviejų razinų lygus 1 centimetrui. Įsivaizduokite, kas darosi tešlai po valandos išaugus iki tūrio, kai tas atstumas padvigubėja.

Razinos, kurios iš pradžių buvo viena nuo kitos 2 cm atstume, dabar atsiras 4 cm atstume, gi tos, tarp kurių atstumas buvo lygus 3 cm, atsidurs 6 cm atstume ir taip toliau. Tai reiškia, kad tokioje tešloje atstumas tarp bet kokių dviejų razinų po valandos padvigubėja, tai yra jų tarpusavio judėjimo greitis proporcingas atstumui tarp jų!

Dar daugiau, tas pats vaizdas matosi žiūrint iš bet kurios razinos, visos kitos tolsta nuo pastarosios pagal tą patį dėsnį. Tešla visą laiką yra homogeninė, tik jos tankis tolydžio mažėja.

Įsivaizduokime dabar, kad razinas sutapatiname su galaktikomis. Gaunasi išvados, neprieštaraujančios jokių stebėjimų rezultatams. Jokia galaktika negali būti Visatos centras, iš visų jų matosi tas pats vaizdas, – visos kitos tolsta greičiais, proporcingais atstumams. Tik tokio judėjimo metu

Visata visą laiką yra homogeninė ir surasti jos centro neįmanoma. Taigi, mes vėl atsiduriame toli gražu ne Visatos centre. Daug tyrinėtojų po Hablo įvairiausiais teleskopais tyrinėjo vis tolesnes ir tolesnes galaktikas.

Šiuo metu jau ištyrinėta Visatos sritis, kurios tūris šimtus milijonų kartų didesnis už Hablo ištyrinėtos srities tūrį. Surastieji lokaliniai netolygumai kiek paįvairina bendrą įspūdį apie Visatą, tačiau jokio pagrindo tikėtis kokių nors išimčių iš šio dėsnio nerasta – visų tolimesnių galaktikų judėjimo greičiai proporcingi atstumams iki jų.

Bėgant laikui dramatiškai keitėsi tik Hablo konstantos vertė.

Kad Hablo konstanta būtų išreiškiama paprastai suvokiamu dydžiu, be dešimčių įvairiausiuose dideliuose laipsniuose, ji matuojama kilometrų per sekundę vienam megaparsekui vienetais, nors kilometrai, kaip ir parsekai, yra ilgio vienetai ir parinkus vienodą mastelį (pavyzdžiui, parsekus išreiškus kilometrais) galėtų susiprastinti.

Pats Hablas 1929 metais, kai labai apytikriai buvo išmatuoti atstumai tik iki 22 arčiausiųjų galaktikų ar jų grupių, įvertino, kad ji lygi 540, tuo tarpu šiuo metu dar kiek diskutuojama, ar jos reikšmė artimesnė 50, ar 100.

Tokia didelė Hablo matavimų paklaida paaiškinama žemu tų laikų tikslumu nustatant standartinių žvakių (cefeidžių, supernovų arba ryškiausių galaktikų žvaigždžių) šviesius ir kalibruojant atstumus. Kaip matote, dar ir dabar tai yra nemaža problema, nes tikimos vertės skiriasi du kartus. Tarkime, Hablo konstanta lygi 75 km per sekundę / Mpc. Tai reiškia, kad galaktika, esanti nuo

Paukščių Tako 1 Mpc atstume, tolsta 75 km per sekundę greičiu, galaktika, esanti 2 Mpc atstume – 150 km per sekundę greičiu ir taip toliau.

Pav. 12.3. Visatos masteliai ir atstumų matavimo metodų palyginimas.

Hablo konstantos vertė labai svarbi kosmologijai, nes ji duoda supratimą apie Visatos istoriją o gal net ir jos prigimtį. Jeigu Visata šiuo metu plečiasi, tai reiškia, kad anksčiau ji buvo mažesnių matmenų. Toliau galimi du scenarijai. Vienas – kad ji pulsuoja apie kažkokią pusiausvyros padėtį, ir antras – kad ji plečiasi nuo pat savo gimimo. Jei pastarasis scenarijus būtų įtikėtinas, tai leidus, kad Visata visą tą laiką plečiasi vienodu, tuo pačiu kaip dabar, greičiu, jos gyvavimo laiką galima lengvai išreikšti per

Hablo konstantą, nes laikas lygus atstumui, padalintam iš greičio, tai yra

T = r / v = r / ( H( r) = 1 / H .

Tai reiškia, kad atvirkščias Hablo konstantai dydis gali charakterizuoti

Visatos plėtimosi laiką. Būtent tik charakterizuoti, nes jei Visata plėtėsi iš taško (ar taškų), tai pradiniais momentais jos plėtimosi greitis turėjo būti žymiai didesnis, o gyvavimo laikas – trumpesnis už gaunamą iš šios formulės.

Mūsų priimtai Hablo konstantos vertei, lygiai 75 km per sekundę / Mpc,

Visatos amžius gaunasi lygus 4.6(1017 sekundžių arba apie 15 milijardų metų. Ši vertė ne tik labai artima visai neseniai dar kartą patikslintam

Visatos amžiui, dabar jau lygiam 13.7 milijardo metų, bet ir neprieštarauja žinomam Saulės amžiui, lygiam 4.5 milijardo metų, arba seniausiųjų spiečių amžiui, sudarančiam maždaug nuo 12 iki 18 milijardų metų. Didesnės Hablo konstantos vertės nesiderina su šiais duomenimis. Pavyzdžiui, pradinė vertė, lygi 540, duoda Visatos amžių, mažesnį nei 2 milijardus metų, kuris akivaizdžiai prieštarauja minėtiems duomenims.

Tiksli Hablo konstantos vertė, jei ji žinoma, taip pat gali būti panaudojama surasti atstumams iki galaktikų pagal jų raudonuosius poslinkius, kuriuos matuoti nėra labai sudėtinga. Tai būtų vienas iš pačių efektingiausių ir tiksliausių didžiulių atstumų matavimo metodų.

Tai, kad Visata galėjo atsirasti praktiškai iš nieko, tai yra iš taškų, kuriuose susikaupė kažkokios energijos fluktuacijos, yra vadinama Didžiojo

Sprogimo scenarijumi. Nežiūrint viso keistumo, jis nelabai prieštarauja nei kvantinei mechanikai, nei reliatyvumo teorijai. Dar daugiau – yra surastas vadinamasis reliktinis spinduliavimas, kuris patvirtina šią hipotezę.

Vėliau šį scenarijų panagrinėsime kiek nuodugniau, dabar pabandykime susigaudyti reliktiniame spinduliavime. Jeigu Visata kažkada užėmė labai mažą tūrį ir sugebėjo išplisti iki dabartinių matmenų, tai ji pradiniais momentais turėjo būti labai karšta. Kūno temperatūra, kaip žinote, reiškia didelę jį sudarančių dalelių kinetinę energiją. Grubiai tariant, energija ir temperatūra surištos paprasta tiesine priklausomybe:

E = k ( T,

kur k yra taip vadinama Bolcmano konstanta, lygi 1.38 ( 10-16 ergų /

laipsniui arba 1/k = 11.6 tūkstančių laipsnių / eV .

Jei dalelių kinetinė energija didelė, susidurdamos jos gali viena kitą sužadinti. Sužadintos dalelės, grįždamos į normalią būseną, spinduliuoja fotonus. Kuo didesnė dalelių energija, tuo didesnė ir spinduliuojamų fotonų energija, tuo trumpesnis tuos fotonus atitinkančios bangos ilgis. Tai reiškia, kad pradinėje Visatos evoliucijos fazėje ji spinduliavo trumpiausias elektromagnetines bangas, gama-kvantus. Plečiantis ir dėl to vėstant Visatai, spinduliuojamų fotonų bangų ilgiai turi tolydžio didėti, o energijos – mažėti, tačiau toks spinduliavimas visiškai išnykti negali.

Taigi, jis turi egzistuoti ir dabar, atitikdamas realią Visatos temperatūrą, esančią šiuo metu. Šis spinduliavimas gerai ištyrinėtas teoriškai, jis turėtų sklisti visiškai vienodai iš visų Visatos taškų, o jo spektras (intensyvumo priklausomybė nuo fotono bangos ilgio) turėtų turėti teorijos vienareikšmiškai nusakomą formą. Remdamasis šiais samprotavimais,

G. Gamov (rusas, gyvenęs ir dirbęs Amerikoje) apie 1940 metus teoriškai nuspėjo šio spinduliavimo buvimą. Deja, tais laikais technikos, leidžiančios jį užregistruoti, nebuvo. Tik 1964 metais du Bell Telephone laboratorijos tyrinėtojai, A. Penzias ir R.

Wilson, bandydami naują jautrią radio anteną, visai atsitiktinai atrado ir šį spinduliavimą. Prireikė būtent radijo antenos, kadangi Visata šiuo metu yra taip atvėsusi, kad šio reliktinio spinduliavimo fotonai iš gama kvantų jau seniai yra virtę radijo bangų ilgių fotonais. Svarbūs buvo šio spinduliavimo spektro tyrimai, ir jie gana greitai po atradimo buvo atlikti.

Pasirodė, kad spektro pobūdis yra būtent toks, kokio reikia reliktiniam spinduliavimui. Kiek netikėta buvo Visatos temperatūra, lygi 2.7 K arba minus 2700 C. Paties Gamovo teorinė prognozė buvo apie 25 K, o kiek vėlesnė kitų autorių – apie 5 K.

Šio spinduliavimo fotonų bangos ilgis yra lygus 1.1 mm. Šis spinduliavimas yra didelė paspirtis Didžiojo Sprogimo teorijai ir sukelia nemažai keblumų visiems kitiems alternatyviems Visatos atsiradimo ir evoliucijos scenarijams.

Kaip ir reikalavo teorija, reliktinis spinduliavimas pasirodė besąs izotropinis, tai yra vienodas visomis kryptimis. Jeigu Visata būtų nehomogeniška arba nesimetriška, tai turėtų pasireikšti reliktinio spinduliavimo neizotropiškumu, kurį turėtų būti galima aptikti. Deja, tokie matavimai yra labai sudėtingi ir naudojant antžeminę techniką ilgą laiką buvo neįmanomi. Pastaraisiais dešimtmečiais šioks toks, nors ir labai nežymus, šio spinduliavimo neizotropiškumas vis tik yra aptiktas.

Reziumuojant galime teigti, kad turime tris neblogus įrodymus, kad Visata gimė būtent Didžiojo Sprogimo metu. Pirmasis yra Hablo aptiktas plėtimasis, antrasis – Gamovo nuspėtas reliktinis spinduliavimas ir trečiasis –

nustatyti jau anksčiau minėti 25 % helio. Kaip tik toks procentas šio elemento branduolių gali susidaryti evoliucionuojant karštai Visatai. Šį faktą nusakė tas pats Gamovas, kuris pagrindinai tyrinėjo branduolines reakcijas ir buvo pirmasis, sugalvojęs karštos Visatos Didžiojo Sprogimo scenarijų.

Gamovas ir vėliau tuo užsiiminėję kolegos suprato, ką reikia daryti, norint pažvelgti kuo giliau į Visatos praeitį.

Kadangi ir pradinius, ir dabartinius Visatos evoliucijos etapus pagrindinai apsprendžia elementariųjų dalelių sąveika, o evoliucijos pradžioje šių dalelių energija buvo labai didelė, tai spręsti apie jų savybes esant tokioms sąlygoms galima tik jas sudarius ir patyrinėjus, kaip dalelės tose sąlygose elgiasi. Būtent tokioms sąlygoms sudaryti ir reikalingi dideli dalelių greitintuvai, apie kuriuos esu minėjęs. Daleles, pagreitintas tokiame prietaise iki milijardų elektronvoltų energijų (žymima kaip GeV)

pagal pateiktą energijos ir temperatūros sąryšį atitinka temperatūra, lygi

1013 laipsnių. Tai dar ne Didžiojo Sprogimo pirmųjų momentų temperatūra, kuri turėtų sudaryti apie 1027 laipsnių, bet jau ir ne tokia tolima nuo pastarosios.

Vėsdama nuo tokių temperatūrų, Visata pamažu įgauna įprastinę formą, tai yra esant 1013 laipsnių temperatūrai, kuri gali atsirasti praėjus vienai dešimtmilijoninei sekundės daliai po Didžiojo Sprogimo, iš kvarkų pradeda susidaryti protonai ir neutronai.

Po trijų minučių nuo minėto momento pagal šį scenarijų Visata atvėsta iki 109 laipsnių ir iš protonų bei neutronų pradeda susidaryti lengviausieji branduoliai. Būtent šiuo metu ir gali atsirasti alfa-dalelės, tai yra helio atomo branduoliai, kurių stebimoje Visatoje yra tiek daug (apie 25 procentus), kad paaiškinti jų atsiradimą kitaip kaip Visatos praėjimu per šią „karštąją” fazę, beveik neįmanoma. Praėjus 300 000 metų temperatūra krito iki 3000 laipsnių

Kelvino, o tai reiškė, kad pradėjo formuotis atomai ir kondensuotis galaktikos. Būtent tuo momentu Visata pasidarė permatoma tam elektromagnetiniam spinduliavimui, kuris šiuo metu vadinamas reliktiniu, nes buvę laisvi elektronai, kurie labai sklaidė fotonus, tapo surišti atomuose ir pradėjo absorbuoti tik tam tikras energijas.

Tik nuo šio momento, kai materija išsilaisvino nuo šviesos „tironijos”, atsirado galimybė kondensuotis galaktikoms. Būtent šio laikotarpio Visatos „nuotraukas”, vis senesnes ir senesnes, nuo 1992 metų fotografuoja įvairi speciali aparatūra. Randamas nedidelis, keletos šimtatūkstantųjų dalių, reliktinio spinduliavimo nehomogeniškumas. Taigi, Visatoje yra užregistruotos kiek karštesnės ir kiek šaltesnės sritys.

Pastarosios būtent ir rodo, kuriose vietose tankis pradiniame evoliucijos etape buvo šiek tiek didesnis nei vidutinis. Kaip tik šiose vietose ir formavosi daugiau pirmųjų galaktikų. Šiuo metu, praėjus po Didžiojo Sprogimo apie 14 milijardų metų,

Visatos temperatūra lygi jau minėtiems 3 laipsniams Kelvino.

Pav. 12.4. Seniausioji Visatos šviesa – reliktinis spinduliavimas.

Nuotrukoje matosi nedideli šio spinduliavimo nehomogeniškumai (NASA).

Aukšta temperatūra žvaigždėse niekam neprieštarauja, tai yra tik lokalinės fluktuacijos, nelabai įtakojančios globalines visos sistemos charakteristikas.

Vis tik, nepaisant šių lokalinių fliuktuacijų, Visata yra homogeninė ir izotropinė, tai yra tokia pati beveik visuose pakankamai dideliuose tūrio elementuose ir stebint visomis kryptimis. Ši jos savybė pasireiškia lygčių, aprašančių vykstančius Visatoje reiškinius, simetrijomis.

Kitais žodžiais tariant, fizikos lygtys, aprašančios izoliuotą sistemą, tokią kaip pavienis atomas ar Saulės šeima, yra invariantiškos transliacijų ir posūkių erdvėje atžvilgiu.

Praktiškai pirmoji simetrija pasireiškia tuo, kad pernešus tą atomą ar visą Saulės šeimą į kitą vietą Visatoje, jų savybės turėtų nepasikeisti, o antroji – kad pasukus šią sistemą savybės taip pat neturi keistis.

Kasdieniniame gyvenime, pavyzdžiui, tai reiškia, kad akmenys tokiu pat pagreičiu kaip dabar krito ir prieš du šimtus, ir prieš du milijonus metų, nors Žemė su Saule tais momentais buvo visai kitose Paukščių Tako, o tuo pačiu ir Visatos, vietose, o taip pat tai, kad stalas dėl Žemės pasisukimo nepakeičia per naktį savo formos. Taigi, šie judėjimo lygčių ir

Visatos invariantiškumai yra tiesiogiai surišti ir seka vienas iš kito. Jie neblogai patikrinti eksperimentiškai, nes pasiekianti iš Visatos informacija, atnešama šviesos, byloja būtent apie tai, kad įvairiose vietose atomai yra visai tokie patys, kaip ir Žemėje, Saulėje ar kur kitur artimiausioje mūsų aplinkoje.

Stebuklingiausia Visatoje yra tai, kad kažkokiomis tai lygtimis, kuriose yra tik skaičiukai ar raidytės, iš viso galima aprašyti gamtos reiškinius.

Antrasis stebuklas yra tas, kurį šio amžiaus pradžioje (1918 metais) įrodė matematikė E. Noether. Ji ne šiaip sau išfilosofavo, o griežtai ir įtikinamai matematiškai pademonstravo, kad kiekviena tokia simetrija yra surišta su kokiu nors tvermės dėsniu.

Pasirodė, kad Visatos homogeniškumas, pasireiškiantis judėjimo lygčių transliaciniu invariantiškumu (tai yra invariantiškumu pernešimo erdvėje atžvilgiu), yra judesio kiekio tvermės priežastis. Analogiškai Visatos izotropiškumas (vienodumas stebint visomis kryptimis) pasireiškia judėjimo lygčių invariantiškumu posūkių atžvilgiu ir yra judesio kiekio momento tvermės dėsnio priežastimi. Sunku net įsivaizduoti, koks būtų mūsų gyvenimas, jei negaliotų šie tvermės dėsniai. Iš šių rezultatų seka iš viso stulbinanti išvada, kad Visatos struktūrą galima tirti stebint pavienį atomą arba kokią elementarią dalelę. Bet kokie šių tvermės dėsnių pažeidimai tame atome ar dalelėje gali būti sąlygoti tik nukrypimais nuo

Visatos homogeniškumo arba izotropiškumo. Deja, tai kol kas nestebėta nei makro, nei mikro pasauliuose. Tai ir yra vienas iš Visatos įtakos mūsų gyvenimui pasireiškimų. Jei kas nors pasikeistų ir būtų ne taip, kaip yra,

Visatoje, tai tuoj pat labai ryškiai pasireikštų mūsų kasdieniniame gyvenime. Gali būti, kad tokiu atveju daug kas, tame tarpe ir mes patys, iš viso negalėtume egzistuoti.

Gal būt kai kam jau kilo klausimas, su kokia Visatos simetrija surištas energijos tvermės dėsnis. Ta pati E.Noether yra įrodžiusi, kad jis seka iš

Visatos laiko homogeniškumo. Ir klasikinės Niutono, ir kvantinės

Šrėdingerio lygtys yra invariantiškos laiko transliacijų atžvilgiu, tai yra ta pati uždara sistema, esanti toje pačioje vietoje, įvairiais laiko momentais evoliucionuoja vienodai, tai reiškia, yra aprašoma visiškai ta pačia lygtimi, o esant toms pačioms pradinėms sąlygoms – ir tais pačiais sprendiniais, nepriklausančiais nuo laiko atskaitos taško.

Niutono lygtys, parašytos prieš tris šimtus metų, aprašo šiandieninį Mėnulio judėjimą taip pat gerai, kaip ir anais laikais. Jeigu Visatos savybės kaip nors pasikeistų, ir laikas taptų nehomogeniškas, tai iš karto pasireikštų netgi paprasčiausiuose buitiniuose reiškiniuose, nes nustotų galioti energijos tvermės dėsnis. Yra ir kitokių tvermės dėsnių, pavyzdžiui, krūvio, barijoninio krūvio, keistumo ir panašių kitų, kurių ryšys su Visatos simetrijomis kol kas nėra toks akivaizdus.

Reikia paminėti ir dar vieną laiko savybę, tai yra jo neizoptropiškumą, pasireiškiantį tuo, kad mes prisimename praeitį, bet negalime prisiminti ateities, negalime nieko pakeisti praeityje, bet esame beveik visagaliai planuodami savo bent jau artimiausią ateitį.

Greta šio visiškai akivaizdaus laiko nesimetriškumo ilgą laiką gana keistai atrodė klasikinės Niutono lygtys, kurios yra simetriškos laiko apgręžimo atžvilgiu. Klasikinėje fizikoje kai kuriais atvejais tokia simetrija nėra keista, nes du susiduriantys bilijardo rutuliai, jei juos nufilmuotume, o po to filmą paleistume į atvirkščią pusę, atrodytų judantys visai natūraliai.

Kitaip būtų su filmu, kuriame užfiksuotas kiaušinio kritimas arba žmogaus gyvenimas, todėl akivaizdu, kad klasikinės lygtys tinka toli gražu ne visiems procesams aprašyti. Tarp kitko, jos negali aprašyti nei Visatos vystymosi, nei mikroskopinių procesų, kurie atsakingi ir už gyvybės atsiradimą. Šiuo metu jau galutinai aišku, kad visi fundamentalūs procesai

Visatoje turi kvantinę prigimtį, tai reiškia, jie gali būti aprašomi tik

Šrėdingerio lygtimi, kuri šios prieštaraujančios sveikam protui simetrijos neturi. Jos sprendiniai, atitinkantys priešingas laiko tekėjimo kryptis, yra skirtingi. Tai išsprendžia vieną sudėtingiausių Visatos paradoksų, susijusių su laiko neizotropiškumu.

Galų gale, kvantinė mechanika sudaro galimybes išspresti ir dar vieną kosmologijos paradoksą, susijusį su įvykių determinizmu. Jeigu Visata vystytūsi pagal klasikinės mechanikos dėsnius, kaip ilgą laiką atrodė, tai

Niutono lygtys Visatai, uždavus tam tikras pradines sąlygas bet kuriuo laisvai pasirinktu momentu, turėtų aprašyti visą vėlesnę jos evoliuciją, įskaitant ir tai, kur kiekvienas iš mūsų rytoj pietaus. Akivaizdu, kad tai yra nesamonė, tokiu būdu gyvybės atsiradimas Visatoje iš viso būtų neįmanomas; be to, kiekvieno mūsų valia kiekvienu momentu leidžia nukrypimus nuo šių dėsnių prognozuojamų rezultatų, todėl jie darosi iš viso beprasmiai. Kitaip visa tai atrodo, jei reikalai vystosi pagal kvantinės mechanikos dėsnius – tik tokiu atveju Heizenbergo neapibrėžtumo principas leidžia realizuotis įvairiausioms galimybėms ir sudaro bazę atsirasti tokiai stebuklingai fliuktuacijai, kaip gyvybė su visomis iš to išplaukiančiomis pasekmėmis.

Galų gale, pagal Bendrąją reliatyvumo teoriją, masių pasiskirstymas erdvėje, tos erdvės savybės ir laiko tėkmė joje yra tarpusavy tampriai susiję. Tai nėra tik teoriniai samprotavimai. Jei neatsižvelgiama į laiko tėkmės pokyčius įvairiuose atstumuose nuo Žemės, puikiai jau veikianti

Globalinio Pozicionavimo Sistema nustato įvairių kūnų, esančių Žemės paviršiuje, koordinates su šimtus kartų didesnėmis paklaidomis. Ši išvada reiškia, kad laikas galėjo pradėti “eiti” tik po Didžiojo Sprogimo, tai yra tik tada, kai pradėjo materializuotis ta paslaptinga energija, kuri ilgainiui sukūrė visą Visatą.

Taigi, ratas užsidarė. Visata yra labai harmoninga ir vientisa sistema, kurioje globalines savybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės ir atvirkščiai. Tuo ji ir yra panaši į gyvą organizmą, besivystantį pagal dėsnius, kurių dauguma jau yra mums žinoma, bet dar nemažai kas ir neaišku.

Samprotavimai apie tai, kas buvo iki Didžiojo Sprogimo, yra dar tik pradinėse stadijose. Jie labai spekuliatyvūs ir specifiniai, reikalaujantys gilių profesionalių žinių ir fantazijos, todėl juos čia paaiškinti būtų itin sunku. Prie šių momentų scenarijų neapsistosime, tuo labiau kad prieš šį įvykį, jei Didžiojo Sprogimo hipotezė atitinka realybę, ir pats laiko skaičiavimas neturėjo jokios prasmės. Įdomesnė ir kiek paprastesnė yra

Visatos ateities samprata. Nustatyta, kad jei Visatos tankis (kuris tiksliai nežinomas) yra mažesnis už tam tikrą dydį, tai jos laukia nuolatinis plėtimasis, kurio gravitacinė sąveika sustabdyti dėl per mažos masės yra nepajėgi.

Jeigu gi šis tankis pakankamas arba didesnis už tą kritinę vertę, tai Visata tam tikru momentu turėtų sustoti plėtusis ir pradėti trauktis iki Didžiojo Sutriuškinimo, po to vėl iš naujo sprogti, plėstis ir taip toliau, tai yra plakti kaip didelė širdis.

Matoma Visatos masė yra per maža, kad reikalai klostytūsi būtent taip, tačiau nustatyta, kad nuo 90 iki 99 procentų Visatos masės sudaro nematomoji medžiaga. Jei pasirodys, kad šis procentas yra artimesnis viršutinei ribai, tai toks vystymosi scenarijus būtų labai įtikimas. Laimė tik ta, kad bet kuriuo atveju nei mes, nei jokia suskaičiuojama mūsų vaikaičių karta neturėtų būti tokių įvykių liudininkais.

Klausimai

1. Hablo formulė, nusakanti Visatos plėtimosi charakterį:

2. Tolimiausias objektas, matomas plika akimi:

3. Dabartinė Visatos temperatūra (Celsijaus skalės laipsniais):

4. Kaip Visatoje atsiranda elementai, sunkesni už geležį?

13. Visata ir gyvybė

Vienintelė moksliškai pagrįsta išvada, kuri seka iš mūsų pažinties su

Visata, yra ta, kad ir Žemė, ir žmonės, ir visa kita, kas yra šalia mūsų arba egzistuoja nepriklausomai nuo mūsų, bet gali būti suvokta, yra Visatos produktai ir jos sudėtinės dalys. Panašiai kaip kadaise vienas žmogus, žvilgtelėjęs iš kosmoso į Žemę kiek kitomis akimis suprato, jog tai yra vienas vientisas kamuoliuko pavidalo organizmas, taip ir Visata, matyt, yra vientisa ir harmoninga. Taigi, ji labiau panaši į augantį, besivystantį gyvą padarą, negu į kokią mechaninę sistemą.

Pažvelkime dar kartą į Saulės sistemą. Saulės amžius yra apie 5 milijardai metų, o tai reiškia, kad ji nėra pirmosios kartos žvaigždė, gimusi Paukščių

Tako formavimosi metu, o yra atsiradusi žymiai vėliau kaip Galaktikos vystymosi produktas. Tas pats ir su Žeme – jos susiformavimui neabejotinos įtakos turėjo artimųjų, o gal ir ne taip jau artimų Paukščių Tako sričių istorija ir savybės, nes jos gelmės, turtingos sunkiaisiais, tame tarpe –

ir radioaktyviaisiais, elementais, negalėjo susikurti iš primityvaus vandenilio dujų debesies. Pats tas debesis jau buvo kelių kartų sudegusių žvaigždžių veiklos rezultatas, taigi šiuo požiūriu jau žymiai patobulintas.

Taigi, Visata yra linkusi vystytis, tobulėti ir atsigaminti, vadinasi, turėti šiokių tokių gyvosios gamtos bruožų netgi pačiose primityviausiose savo egzistavimo formose, tokiose kaip žvaigždės, galaktikos ar planetos.

Nederėtų šioje knygoje nagrinėti išties sudėtingų klausimų, tokių kaip intelekto ar civilizacijų egzistavimas, kurių ryšys su Visata yra nepaprastai paslaptingas. Apsistokime prie pačios paprasčiausios, tai yra gyvybės atsiradimo Visatoje problemos, nors ir ji pati yra viena sudėtingiausių iš visų, kurias čia aptarėme.

Priimtini kol kas yra du scenarijai – pirmasis, kad gyvybė Žemėje pati išsivystė iš negyvosios gamtos evoliucijos keliu, ir antrasis – kad sporos, sudarančios jos atsiradimo pagrindą, buvo atgabentos į Žemę kažkokio tai kosminio keliauninko (kometos, asteroido ar panašaus). Kaip ten bebūtų, abiem atvejais gyvybės išsivystymui ir prisitaikymui prie sąlygų, egzistuojančių konkrečioje planetoje, reikia labai nemažai laiko.

Po plytų krūva pakišus dinamito joks namas dar niekada nebuvo pastatytas. Galų gale atsitinka tai, ką gerai matome Žemėje – gyvybė ir planetos savybės sudaro labai harmoningą darinį.

Užtenka paminėti jau vien tai, kad Žemės atmosferos sudėtis yra tokia, kad joje egzistuoja tik du plyšeliai elektromagnetinių bangų spektre, kuriuose ji yra permatoma – tai regimųjų spindulių ir radijo bangų diapazonai. Jei mūsų akys būtų pritaikytos kitiems bangų ilgiams, nei dabar, nematytume nei žvaigždžių, nei Saulės.

Panagrinėkime kiek smulkiau abu minėtus scenarijus. Evoliucinė Darvino teorija paremta teiginiu, kad gyvybė gali išsivystyti iš negyvosios materijos. Jos teiginiai yra neblogai visiems žinomi, todėl apsiribosiu tik kai kurių eksperimentų ir argumentų, paremiančių šį požiūrį, įvardinimu.

Pirmieji eksperimentai, kuriuose buvo sudarytos maždaug tokios sąlygos, kurios buvo primityvioje Žemėje, atlikti 1953 metais H.Urey ir S.Miler.

Mišinį medžiagų, kurios tikriausiai sudarė tų laikų Žemės atmosferą –

metaną (CH4 ), amoniaką (NH3 ) bei vandenį (H2O) veikiant nuolatinėms elektros iškrovoms per savaitę pavyko paversti tamsiai ruda mase, kurioje buvo daug amino rūgščių, kurios būtent ir sudaro proteinų bazę ir yra fundamentali gyvosios gamtos sudėtinė dalis. Kiti panašūs eksperimentai leido susintetinti ir kitokias sudėtingas molekules. Aminų rūgštys dabar jau randamos ir meteorituose, ir netgi kosmose, jų gamyba – ne problema.

Visai neaišku, ko reikia, kad iš jų susidarytų proteinai, kuriuose jos išsidėstę labai sudėtinga ir unikalia tvarka, o taip pat gyvybės pagrindas

– dar sudėtingesni junginiai – ribonukleininė ir dezoksiribonukleininė rūgštys. Įtikėtina ir tai, kad šis procesas visai neišvengiamas visur ir visada, ir tai, kad Žemėje kadaise susidarė ypatingos sąlygos, ir bent jau mūsų galaktikoje gyvybė yra visiškai unikalus reiškinys. Kai kurie duomenys rodo, kad pirmieji mikroorganizmai Žemėje atsirado prieš tris – tris su puse milijardų metų, o primityvūs mūsų proseneliai pasirodė tik prieš 3 – 4

milijonus metų. Kai kam atrodo, kad net ir toks laiko periodas yra per mažas tokioms protingoms būtybėms, kaip mes, išsivystyti.

Alternatyvus evoliuciniam yra 1907 metais paskelbtas S.Arenijaus požiūris į šią problemą. Jis teigia, kad gyvybė į Žemę yra atnešta iš kosmoso su kažkokiomis tai mikroskopinėmis sporomis, pajėgusiomis po ilgos kelionės pas mus įsikurti ir išsivystyti. Ši teorija negali būti labai paprastai atmesta, nes pastaraisiais metais pasirodė keleta ją remiančių faktų.

Pirmiausia tai yra meteorito ALH84001, kadaise atskriejusio į Žemę, liekanų tyrimai. Identifikuota, kad šis meteoritas yra atskilęs nuo Marso prieš septyniolika milijonų metų, ilgą laiką klaidžiojo erdvėje, maždaug prieš trylika tūkstančių metų nukrito į Antarktikos sniegynus, ir galų gale 1984

metais buvo surastas specialistų. Tame meteorite buvo surasti primityvių organizmų, kurie jame gyveno prieš keturis milijardus metų, pėdsakai.

Panašūs mikroorganizmai Žemėje atsirado tik prieš tris su puse milijardo metų, taigi žymiai vėliau. Tie pėdsakai tai yra magnetėlių grandinėlės, kurias kuria besivystydamas tas mikroorganizmas, matyt tam, kad galėtų geriau orientuotis erdvėje.

Jei tai pasitvirtintų dar kitais tyrinėjimais, šis faktas akivaizdžiai paremtų teiginį, kad Visata pilna visokios primityvios gyvybės užuomazgų, bet ta gyvybė įsitvirtina ir pradeda vystytis tik ten, kur susidaro palankios sąlygos.

Šiuo atveju visai logiška, kad pirmiausia tie organizmai vystėsi Marse, kadangi jis yra toliau nuo Saulės, todėl anksčiau susiformavo, atvėso ir tapo tinkamas jiems gyventi. Žemė formavosi kiek vėliau, todėl ir tų organizmų buvimo požymiai joje vėliau atsirado.

Romantiškas ir visai panašus į tiesą yra ir mechanizmas, aiškinantis, kaip primityvios gyvybės formos gali netgi plisti Visatoje.

Apie 1950 metus teoriškai išsamprotauta, kad tolimoje Saulės sistemos periferijoje egzistuoja didžiulė kometų samplaika, turinti dešimtis ar net šimtus milijardų kometų, pasiskirsčiusių ne taip kaip planetos, kokioje tai plokštumoje ar arti jos, bet beveik vienodai visomis kryptimis.

Tai yra tarsi koks tos sistemos apvalkalas. Prognozuojami jo matmenys yra nuo dešimčių iki šimtų tūkstančių astronominių vienetų, kas gali sudaryti net iki pusės atstumo iki artimiausios žvaigždės.

Jei tokius pat apvalkalus kartu su planetų sistemomis turi ir kitos žvaigždės, tai per milijoną metų gali įvykti keleta gana artimų jų praskriejimų, kurių metu tie apvalkalai gali ir persikloti. Aišku, kad tokių suartėjimų metu šios žvaigždžių sistemos gali pasikeisti kometomis. Kometos gi, kurių branduoliai sudaryti iš ledo, tai yra vandens, yra visai neblogi tų primityvių gyvybės formų saugojimo šaldytuvai. Priartėjus kometai prie Saulės, jos branduolys sušyla, susiformuoja graži matoma uodega, joje ir galėtų būti tų organizmų.

Įskridus žemei po kurio laiko į tokios uodegos liekanas kartu su stebimu meteorų lietumi gali atkeliauti dar ir kokios tai gyvybės užuomazgos. Gal ne veltui kometų pasirodymas danguje nuo senų senovės siejamas su įvairiausiomis ištinkančiomis Žemę nelaimėmis, gal tie prietarai turi kokį pagrindą?

Kartais jau ir visai rimtai pakalbama, kad nauji virusai, retkarčiais užplūstantys Žemę, gali būti kaip vietinės kilmės mutantai, taip ir ateiviai iš kosmoso. Iš kitos pusės, kai kurie šios teorijos teiginiai prieštarauja žinomiems faktams.

Pavyzdžiui, neaišku, kaip sporos gali ilgą laiką išlikti veiksmingos kosminės kelionės metu, veikiant žudantiems gama ir kitiems kosminiams spinduliams. Iš kitos pusės, netgi jeigu ši koncepcija yra teisinga, ji neišsprendžia gyvybės atsiradimo problemų, tik perkelia jas į kitą vietą.

Norint šią hipotezę padaryti neprieštaringa, reikia prisiminti, kad ši alternatyva yra reikalinga tam, kad kaip nors pratęstų gyvybės vystymosi laiką, kuris, palyginus su Žemės egzistavimo laiku, turėtų būti žymiai ilgesnis. Kažkada šią hipotezę iš naujo peržiūrėjo F.Hoyle, kuris surado šiokių tokių galimybių ją pagrįsti.

Pirmiausia, jis teigė, kad panašios sporos nuolatos pasiekia Žemę ir šiuo metu, atnešdamos visokiausias negirdėtas ligas ar epidemijas, kurioms gyvenančių Žemėje žmonių organizmai neturi imuniteto. Toliau Hoyle teigė, kad gyvybei išsivystyti reikalingas ne tik žymiai ilgesnis negu 5

milijardai metų, bet netgi ilgesnis už 15 milijardų metų laiko tarpas.

Tokiu atveju prieštaringas pasidaro Didžiojo Sprogimo scenarijus, tačiau ir šią problemą galima išspręsti, prailginant Visatos gyvavimo laiką. Gali būti, kad Visata ilgą laiką egzistavo stabilioje būsenoje, ir dėl nežinomų priežasčių pradėjo plėstis tik maždaug prieš minėtus 14 milijardų metų.

Visumoje ši hipotezė taip pat turi silpnų vietų, pavyzdžiui, visur aplinkui turėtų būti randamos tos sporos, tačiau kruopšti Mėnulio grunto pavyzdžių analizė kol kas to nepatvirtino. Gal būt, gana išsamius atsakymus į kai kuriuos šių klausimų pateiks planuojamos ir jau pradėtos ekspedicijos į

Marsą – arčiausią planetą, kurioje galėjo būti gyvybė. Tarp kitko, iki šiol tik trečdalis ekspedicijų į šią planetą buvo sėkmingos, taigi net nepilotuojamas skrydis tokiais atstumais nėra paprastas. Kosmosas nėra svetingas keliauti tokioms sudėtingoms struktūroms, kaip žmonės ar jų pagaminti įrenginiai – mūsų šiuolaikiniai kosminiai laivai.

Pav. 13.1. Visatos ir biologinių objektų nuotraukų galerija.

Pamąstykime dar plačiau. Jei gyvybė yra taip paplitusi Visatoje, kaip sektų iš šios hipotezės, tai turėtų būti ir civilizacijų, pasiekusių žymiai aukštesnį, nei mūsiškis, išsivystymo lygį. Gal jų kosminiai laivai yra pritaikyti tokioms kelionėms? Viltį, kad taip gali būti, skiepija stulbinantys žmogaus proto pasiekimai.

Jei tik šie procesai vystysis tokiu pat greičiu kaip dabar, ir vėl nenusirisime į kokius nors viduramžius, turėtume ir toliau labai greitai progresuoti. Devynioliktojo amžiaus gale buvo pranašaujama, kaip pasaulis atrodys po šimto metų, dabar tokiomis pranašystėmis joks protingas žmogus neužsiima, nėra jokių perspektyvų ką nors nuspėti. Prieš šimtą metų, pavyzdžiui, niekas net sufantazuoti negalėjo nieko panašaus į mobilųjį telefoną ar kompiuterį, tuo labiau nešiojamą, o Internetas tai net jokiame sapne negalėjo prisisapnuoti.

Prisimenu tik vieną šių pranašysčių – kažkoks žmogelis susamprotavo, kad po šimto metų, jei Paryžius plėsis tokiu greičiu kaip tada, jo gatvės pasidengs septynių metrų storio arklių išmatų sluoksniu, ir gyvenimas visiškai sustos. Gal ir netolima ši pranašystė nuo šiandieninės realybės, bet juk norėta buvo pasakyti visai ką kita… .

Deja, jokių patikimų įrodymų, kad kokie nors Visatos keliauninkai būtų aplankę Žemę, nėra. Jeigu jie būtų tokie protingi, kad galėtų iki mūsų atskristi, tai vargu ar jiems reikėtų nuo mūsų slapstytis kur tai kitoje

Mėnulio ar Marso pusėje, kartais pasivogti kokią moterėlę iš gūdaus Sibiro kaimo ar dar kaip kitaip mus šiurpinti. Pavojaus jiems dėl žemo savo išsivystymo lygio mes nekeliame, taigi jie turėtų būti suinteresuoti su mumis kontaktuoti.

Kodėl vis tik ateiviai mūsų nelanko ir netgi nesiunčia jokių savo buvimo signalų? Dabartine technika aptikti kokius nors signalus, jei tik juos kas siūstų, turėtų būti nelabai sunku. Pavyzdžiui, 2001 metų balandžio 28, atsitiktinai trumpam atgijus branduolinei Pionierius-10 kosminio laivo baterijai, Madride esanti speciali kosminių tyrimų antena tuoj pat užfiksavo jos siunčiamus signalus ir identifikavo jų prigimtį, nors šis kosminis zondas skrieja jau nuo 1972 metų ir yra nutolęs 78 kartus toliau nuo Saulės nei mūsų planeta, o tų signalų galia buvo tik 10-21 vato.

Gal ir iš tiesų mes esame vieninteliai, bent jau Paukščių Take, o gal kokios nors katastrofos, tokios kaip supernovų sprogimai ar iš kosmoso slindantys nepaprastai galingi gama spindulių šuorai reguliariai vyksta visur galaktikose ir neleidžia intelektui ir civilizacijoms išsivystyti taip, kad jie taptų Visatos valdovais? Prisiminkime – viskas Visatoje, įskaitant net ją pačią, kažkada prasidėjo ir tikriausiai, kažkada pasibaigs arba virs kuo nors kitu.

Gal todėl toje Visatoje viskas taip ir įdomu?

Klausimai

1. Kas tai yra Oorto debesis?

2. Kas tai yra kreacionizmas?

3. Kaip Jūs pats manote, kokiu būdu Žemėje atsirado gyvybė?