astronomija
2003
TURINYS
Pratarmė…………………………………………………………. 1 1. Visata ir mokslas……………………………………………… 7 2. Arčiausieji Visatos objektai – Žemė, Saulė ir Mėnulis………. 18 3. Saulės imperija; Grožis ir pavojai – planetos, asteroidai ir kometos………………………………….. 29 4. Saulės imperija; Nuolatinis judėjimas…………………………40 5. Kosminės kelionės……………………………………………..49 6. Saulės imperija; Atsiradimas ir likimas………………………..59 7. Ką senovės išminčiai žinojo apie kosmosą ir kaip tos žinios buvo sukauptos? ………….……………………67 8. Šviesa, materija ir energija……………….…………………….75 9. Žvaigždžių paradas……………………..………………………93 10.Žvaigždės gyvenimas ir nuotykiai……..……………………..104 11.Paukščių Takas ir kitos galaktikos……………………………116 12.Visatos struktūra ir laiko istorija…………………………….. 126 13.Visata ir gyvybė……………………………………………….139
PRATARMĖ
Knygų apie astronomiją lietuvių kalba yra išleista nemažai. Grubiaikalbant, jas galima padalinti į kelias grupes, kiekviena kurių skirta visaikitokiems skaitytojams.Pirmiausia tai yra knygos astronomams apie astronomiją. Jų skaitytojas turibūti 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 pradėtigilias šio įdomaus mokslo studijas, pradėkite būtent nuo jos. Knyga, kuriąlaikote rankose, yra ne jums. Ji nėra skirta nei esamiems, nei būsimiesiemsastronomams mokytis astronomijos.Antrojo tipo knygos yra labai spalvingos, skirtos populiarinti mokslą irsukelti vaikų bei moksleivių susidomėjimą astronomija. Šios literatūros, iroriginalios, ir verstinės, pasirinkimas yra išties labai didelis. Jeigunorite pamatyti, kokia graži Visata ir kokie protingi astronomai, būtinaiužeikite į bet kurį knygyną, nusipirkite bet kurią tokią knygą, ir jąpaskaitykite. Suprasti tai, kas ten parašyta, bus nesudėtinga ir ištiesįdomu ne tik Jums, bet ir Jūsų šeimos nariams. Ši knyga irgi ne tokia, nesją skaityti nebus taip paprasta kaip tas mokslo populiarinimo – nuolatosteks kiek tai pamąstyti, skaitant per vidurį kartais dar kartą atsiverstijos pradžią, o artėjant prie galo dar ir prisiminti, kas buvo parašyta tameviduryje.Charakteringiausia trečiojo tipo knyga yra neseniai išleistas S. Hawkingbestseleris “Visata riešuto kevale”. Man ši knyga labai patiko, perskaičiaują vienu prisėdimu. Su autoriumi mes vienmečiai, abu daug metų užsiimamefizika, bendrą kalbą surasti tokiu atveju nėra labai sunku. Vis tik mūsųtyrimų sritys yra gana tolimos, todėl man skaitant tą knygą labai pravertėkažkada nuodugniai išstudijuota bendroji reliatyvumo teorija, o taip patgilios kvantinės mechanikos ir aplamai fizikos žinios. Nesupratau, ką jąskaitydamas gali sužinoti ne fizikas ar astrofizikas ir kodėl ji yrabestseleris. Nieko kito, kaip gausybė neaiškinamų terminų ir patiesautorius bei jo draugų hipotezių toje knygoje kaip ir nėra. Tačiauromantiškas ir tragiškas paties autoriaus likimas, fantastiškos knygosiliustracijos, retkarčiais vis pasitaikantis labai patrauklus angliškasjumoras bei triuškinanti, bet subalansuota knygos reklama padarė savo. Taknyga yra bestseleris. Matyt, mano knygai tai negresia, nes reikalingųbestselerio pirkėjui nežinomų žodžių, negirdėtų mokykloje, joje beveiknėra, o jei tokių išvengti neįmanoma, stengiuosi juos kuo paprasčiaupaaiškinti. Didžiulės pagarbos astrofizikams ir pačiam autoriui ji neturėtųsukelti, per daug jau paprastai viskas joje aiškinama.Tai yra knyga apie mūsų gimtuosius namus – Visatą. Ji skirta būsimiesiemsinteligentams, norintiems suvokti mūsų vietą Visatoje, susipažinti sudaugelio žmonių kartų pastangomis ją suprasti, ir glaustai sužinoti, kaipVisata regis šiais laikais, kokia jos praeitis, dabartis ir koks likimasjos laukia.Paskaitų kursas, besiremiantis šiomis idėjomis, yra skaitomas VDU visųfakultetų ir specialybių studentams kaip pasirinktinis Gamtos mokslųpogrupio kursas nuo 1995 metų. Kas semestrą susitinkant su įvairiasstudentais palaipsniui aiškėjo jų poreikiai, interesai ir temos, kuriossukelia didžiausią susidomėjimą ir yra aktualios humanitarinės, socialinėsar netgi kai kuriems gamtamokslinės pakraipos studentams.Remiantis sukauptu patyrimu susidarė įspūdis, kad paskaitų pagrindiniaitikslai turėtų būti du.Pirmasis – padėti studentui, būsimajam inteligentui ir plačiaiapsišvietusiam žmogui, nugalėti baimę, kurią sukelia kartkartėmis spaudojepasirodanti informacija apie kokius nors astronomijos ar fizikos stebėjimųar tyrimų rezultatus. Kartais ta informacija pateikiama per daugprofesionaliai ir atrodo beveik visai nesuprantamai žmogui, turinčiam tikvidurinį išsilavinimą. Kartais ji atrodo tokia netgi besidominčiam taisreikalais žmogui, bent jau vien dėl to, kad yra perteikiama laikraščio arkitos informacijos priemonės darbuotojo, kuris pats apie tai labai silpnainusimano. Skaitytojui ilgainiui susidaro įspūdis, kad tos informacijos netik kad neįmanoma suprasti, bet netgi ir prieinamai paaiškinti. Kovoti sušiuo įspūdžiu labai sunku, bet įmanoma, ir savo paskaitose aš bandauįveikti šią problemą, beveik kiekvieną knygos skyrių pradėdamas nuoistorinės apžvalgos ir demonstracijos, kad netgi senovės žmonės, būdamiskvarbaus proto ir nesinaudodami jokiais sudėtingais prietaisais, buvopajėgūs 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 iršiuolaikinio įvaizdžio apie Visatą esmę, o gal ilgainiui net ir pats ją kamnors paaiškinti.Antrasis vadovėlio tikslas yra suteikti klausytojams žinias, būtinasatsikratyti prietarų, kurie ilgainiui vis labiau ir labiau skverbiasi įvisuomenės sąmonę. Kreacionistiniai mitai, astrologų prognozės,spekuliacijos apie ateivių vizitus, stebuklingi visokių ekstrasensųžygdarbiai, reguliariai skelbiami ir demonstruojami, bet labai retaikompetetingai komentuojami profesionalių mokslininkų gali kartais jaunamžmogui sudaryti įspūdį, kad visa tai yra toleruojama ir sudaro patiesšiuolaikinio mokslo neatsiejamą dalį. Padėti šiuo atveju gali tiktaisistemingos, nors ir elementarios gamtos mokslų, tame tarpe – irastronomijos, žinios. Aišku, jos turi būti pateikiamos taip, kad būtų irsuprantamos, ir priimtinos netgi specialiai tam nesiruošusiam, bettrokštančiam tai išsiaiškinti, žmogui.Ar reikia kiekvienam žmogui žinių apie Visatą? Aišku, sukauptiprofesionalias žinias tik perskaičius šią knygą neįmanoma, tačiaupasistengus galima visiškai neblogai ir adekvačiai pradėti suvokti aplinką.Keičiantis visuomenės vertybių sistemai keičiasi ir jos poreikiai. Kiekžinau, kai kuriuos universitetus, ypač JAV, galima baigti susirinkuskreditus ir taip, kad galima būtų išvengti “neparankių” kursų – kas mokapinigus, tas užsako ir muziką, lavinimuisi tapus preke jos pardavimas yragrynai techninė problema. Neseniai mačiau kiek ilgesnį nei dviejų minučiųtrukmės mėgėjišką filmą, kuriame po labai trumpo Harvardo diplomų įteikimoiškilmių pristatymo kažkoks negeras žmogus keletai absolventų ir galų galevienam profesoriui uždavė “klausimėlį”, kodėl, jų nuomone, Žemėje būna metųlaikai. Protingiausiai atsakė profesorius – taip atsitinka dėl to, kadkinta Mėnulio, Žemės ir Saulės tarpusavio padėtis. Įdomu, ar mūsųuniversitetų absolventai ir profesoriai galėtų geriau pasirodyti? Tikiu,kad šio kurso klausytojai po semestro turėtų suprasti metų laikų buvimopriežastis 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 įvairiausiaspastabas apie knygą, kurių lauksiu adresuGintautas_Kamuntavicius@fc.vdu.ltPirmieji, kuriems noriu ypatingai padėkoti už kruopštų šio vadovėlioperskaitymą, yra jo recenzentai – habil. dr. G. Tautvaišienė ir doc. dr. AAžusienis. 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 – kiekmažiau žvaigždžių. Daug tai ar mažai? Ar tai – jau visa Visata? Jei ne, taikokią jos dalį taip žiūrėdami matome? Nesunku patikrinti, kad apsiginklavępaprasčiausiu binokliu tuščioje plikai akiai vietoje galima pastebėti naujųžvaigždžių, o pro kad ir nedidelį teleskopą – vėl ir vėl naujų. Dabar jaubeveik nereikia ir teleskopo – jei turite priėjimą prie interneto,atsiverskite puslapį http://www.astrosurf.com/ ir galėsite lengvaiįsitikinti 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, tačiaupalyginus su Saule, matoma dieną, jos yra niekingai smulkios irneišvaizdžios, todėl daug tūkstantmečių niekas net nedrįso pagalvoti, kadjos turi ką nors bendro. Tas atsispindi netgi seniausiuose judėjų mituose,kai dievas antrąją dieną vargo kurdamas Saulę, o po to žaismingai perketvirtą 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 niekodaugiau ir negalėdavo danguje pamatyti, bet giliausiai mastantiems netgi tųįspūdžių pakakdavo suvokti jos didingumą ir galią. Žvaigždės visada buvomatomos, tačiau jos, kaip iš pirmo žvilgsnio atrodo, visada buvo tik fonas,o ne lygiavertis Saulės sistemai tyrimo objektas. Dėl šios priežastiesmažiausiai 20 amžių Visata iš viso buvo tapatinama tik su Saulės sistema.Šiandien patikimai žinoma, kad Visata atrodo kaip gal net ir begalinėvisuma žvaigždžių telkinių – galaktikų, tolstančių viena nuo kitosgreičiais, proporcingais atstumams tarp jų. Patikslintas pastaruoju metupačios Visatos amžius yra apie 13.7 milijardų metų. Šiandien jau surastimilijonai galaktikų, kiekvienoje kurių yra iki nuo milijonų iki šimtųmilijardų žvaigždžių. Dauguma tų žvaigždžių tikriausiai turi ir planetųsistemas, nes tai patvirtina ir artimiausiųjų žvaigždžių stebėjimai, irteorija, kuri teigia, kad formuojantis žvaigždei beveik neišvengiamai josaplinkoje formuojasi ir visokie kitokie kūnai, taigi – ir planetos.Įtikinamiausia, kad mūsų Saulė su savo planetų sistema beveik niekuo iškitų savo sesių neišsiskiria.Reziumuojant mūsų pirmąjį žvilgsnį į dangų galima pasakyti tik tiek, kadneginkluota akis jame pamato vieną iš šimto milijonų (viso mūsų galaktikoje– Paukščių Take, yra apie keturis šimtus milijardų žvaigždžių, o matome tikketuris tūkstančius jų, taigi šių skaičių santykis ir sudaro šimtąmilijonų) artimiausių mums žvaigždžių. Žvaigždžių, esančių kitosegalaktikose, pastebėti neįmanoma. Tiesą pasakius, šiaurės pusrutulyje plikaakimi galima pamatyti ir vieną nelabai toli esančią didžiulę galaktiką –Andromedos ūką, bet nepatyrusiam stebėtojui ji niekuo nuo paprasčiausiosžvaigždutės, ar tiksliau pasakius, ūkelio, nesiskiria.Pav. 1.1,1.2,1.3 ir 1.4. Tolimos galaktikos, užfiksuotos 2002 metų Habloteleskopo nuotraukose (NASA).Pati Visata, kurios iš Žemės, kaip ką tik išsiaiškinome, net ir pamatytineįmanoma, yra labai harmoninga ir vientisa sistema, kurioje globalinessavybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės ir atvirkščiai.Mokslas apie Visatą kaip visumą ir apie Metagalaktiką – stebimą Visatossritį – kaip tos visumos dalį, vadinasi Kosmologija. Pats šis žodiskildinamas iš graikiškų žodžių kosmos – pasaulis, Visata ir logos – žodis,mokymas. Pagal S. Hawking kosmologija yra mokslas, tiriantis Visatą kaipvieningą sistemą. Būtent šis požiūris į kosmologiją ir yra artimiausiasšios knygos autoriui, ir, norėčiau tikėti, daugumai jos skaitytojų, norstradiciškai astronomija kaip mokslas, studijuojantis materialiąją aplinkąuž Žemės atmosferos ribų, yra pasidalinęs į daug šakų, tokių kaip planetųastronomija, Saulės astronomija, žvaigždžių astronomija, galaktinėastronomija ir kitos, kosmologijai palikdamas tik užgalaktinę astronomiją.Deja, kuo toliau, tuo labiau aiškėja, kad Visatoje nėra atskirų dalių, visireiškiniai ir objektai yra tampriausiai susiję, ir minėta klasifikacijalabiau pritaikyta tik atskirų siaurų astronomijos sričių klasifikacijai irdirbančių tose srityse specialistų poreikiams tenkinti.Visatos studijos remiasi fizikos dėsniais ir astronominių stebėjimųduomenimis. Svarbiausias postulatas, kuriuo jos remiasi, yra tas, kadgamtos (fizikos) dėsniai, surasti labai ribotoje Visatos dalyje, kuriojejuda Žemė ir kuri prieinama mūsų tyrinėjimams, gali būti ekstrapoliuoti įžymiai didesnę sritį, kurią galima tik stebėti, ir galų gale – į visąVisatą, kurios, kaip matėme, visos net ir stebėti neįmanoma.Pagrindinis Visatos tyrimo metodas yra nuolatiniai stebėjimai,sistematiškas žinių apie Visatą kaupimas ir jų kondensavimas patikrinamuosedėsniuose ir teorijose. Toks tyrimo metodas sudaro bet kokių moksliniųtyrimų esmę. Jis atrastas tik prieš keletą šimtų metų, bet jau pats savaimeyra didžiulė vertybė. Šiais laikais, kai Interneto dėka pasaulis yra itinsusiaurėjęs, apsikeitimas mokslo žiniomis, hipotezių skelbimas irtikrinimas yra tobulai išvystyti, ir mokslas vystosi iki šiolneįsivaizduotu greičiu. Pasiekus tam tikrą kvalifikaciją, įsijungimas į šįdarbą atneša ne tik didelę naudą visuomenei, bet ir unikalius pojūčius beididžiulį pasitenkinimą kiekvienam šio proceso dalyviui.Žinomos įvairios kosmologinės teorijos, vystytos įvairiu metu, remiantistuo ar kitu pažinimo lygiu. Kaip priimta gamtos moksluose, modeliai turibūti patikrinami matomoje Visatos srityje, stebėjimų rezultatai turipatvirtinti teorijos išvadas, ir pati teorija turi nuspėti naujusreiškinius. Šie reikalavimai yra gana griežti, todėl dauguma ankstesniųkosmologinių teorijų neišliko.Šiuolaikinis mokslas apie Visatą yra paremtas Alberto Einšteinoreliatyvistine traukos teorija, Edvino Hablo tarpgalaktinės astronomijospasiekimais ir kvantine mechanika, susiformavusiomis pradedant dvidešimtojoamžiaus antruoju dešimtmečiu. Jį galima būtų pavadinti nestacionariosioskarštosios 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 pilnaiapsprendžia kiekvienos elementariosios dalelės, atomų branduolių, atomų irgalų gale viso to, iš ko padarytas supantis mus pasaulis, savybes. JeiVisata būtų kitokia, kitokios būtų ir visos šios sistemos. Jų studijospadeda suvokti pačią Visatą. Sudėtingiausias, ko gero, Visatos produktasyra žmogus ir pati žmonių visuomenė, tačiau šiuo atveju ryšys su Visatossavybėmis yra žymiai menkiau suvoktas.Kuo primityvesnis žmogus arba visuomenė, tuo primityvesnę Visatą jis (ji)gali įsivaizduoti. Studijuojant požiūrių į Visatą evoliuciją, lengvaipastebimas siekimas suabsoliutinti žmogaus vaidmenį šioje struktūroje,tapatinant Visatos centrą su gyvenamu regionu arba bent jau Žeme. Senovėsgraikai manė, kad dievai gyvena Olimpo kalne; labai sunku buvo atsisakytiplokščios Žemės įvaizdžio, o po to ištisus keturiolika šimtmečių –nuostatos, kad Žemė yra Visatos centras. Kai prieš 500 metų M.Kopernikasįrodė, kad Žemė skrieja apie Saulę, M.Liuteris pareiškė: “Šitas kvailysnori visą astronomijos mokslą apversti aukštyn kojomis. Bet, kaip skelbiaBiblija, kaip tik Saulei, o ne Žemei, Jėzus liepė sustoti”. Deja, netketuris amžius po Koperniko atradimo Saulė ir Saulės sistema vis dar buvolaikomos žvaigždžių visatos centru, ir tik trečiajame šio amžiausdešimtmetyje pagaliau mes suradome tikrąją savo vietą. Pastaraisiais metaissurandama vis daugiau ir daugiau netgi artimų Saulei žvaigždžių, turinčiųplanetas, taigi didėja tikimybė, kad ir pati gyvybė Žemėje nėra koks norsunikalus reiškinys.Gyvendami mes nuolatos “maudomės” garsų, kvapų ir šviesos “jūrose”. Jeitiek rūšių sodrios informacijos gautume iš Visatos gelmių, gal ir ne tokiapaslaptinga ji atrodytų.Deja, pagrindinis informacijos nešėjas šiuo atveju yra šviesa. Jos atnešamainformacija, kaip matysime, yra tam tikra prasme ribota, ir kai kuriosVisatos paslaptys lieka neatskleistos ir neatrodo, kad kas nors galipasikeisti artimoje ateityje. Garsai iš įvairių Visatos objektų mūsųpasiekti negali, nes tarpžvaigždinėje erdvėje yra labai neblogas vakuumas,o retkarčiais meteoritų arba atsivežtų kosminiais aparatais uolienųpavyzdžių pavidale pasiekiantis mus Visatos “kvapas” nesuteikia itin dauginformacijos apie jos sandarą. Kiek daugiau informacijos gaunamaregistruojant įvairios prigimties kosminius spindulius (neelektromagnetinių bangų prigimties), tačiau jų registracijai iridentifikavimui reikalinga labai sudėtinga aparatūra ir subtilūs tyrimometodai.Visata, kuri pati yra mus pagimdžiusi, nuolatos tarsi nori kažką pasakytiir stengiasi padėti tą informaciją suprasti. Stebuklinga pagalba yra jautai, kad abstrakčiomis matematinėmis formulėmis ar lygtimis galima aprašytirealius daiktus ir įvykius, juos suprasti ir netgi valdyti. Esminis lūžisšiame supratime, matyt, buvo padarytas didžiojo Galileo Galilėjaus, kurispirmasis suvokė, kad Saulės sistemos planetų paslapčių rakto reikia ieškotityrinėjant įvairius reiškinius pačioje Žemėje. Būtent nuo šių jo tyrimų irprasidėjo visiškai naujas Visatos suvokimo etapas. Dangus naktį šiaislaikais labai panašus į matytą prieš daugelį šimtmečių, tačiau žvelgiantisį jį Žmogus yra kitas, jis naudojasi visiškai kitokiais prietaisais, todėlir šios skurdžios informacijos jau pakanka susidaryti patenkinamą stebimosVisatos dalies įvaizdį.Kad suvoktomėte, kokio jautrumo aparatūrą gamtos tyrimui šiandien naudojafizikai, papasakosiu pirmiausia apie milijardą dolerių kainavusį CERN(Europos branduolinių tyrimų centro) elektronų ir pozitronų greitintuvą. Jįsudaro maždaug 27 kilometrų ilgio tunelis, kartais kalnuose tarpPrancūzijos ir Šveicarijos siekiantis 100 metrų gylį, kuriuo eksperimentųmetu į vieną pusę juda elektronai, o į kitą – pozitronai (elektronųantidalelės), retkarčiais nukreipiant jų sriautus į laboratoriją, kursusidūrimų 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, kuriaskrieja elektronai ir pozitronai, nuotrauka.Tik paleidus greitintuvą, pasirodė, kad pluoštelių charakteristikospastebimai kinta veikiant Saulės ir Mėnulio traukai; nuo jų tarpusaviopadėties 27 kilometrų tunelio ilgis pakinta iki 200 mikronų, ir tai galimalengvai pastebėti. Vėliau buvo pamatyti sezoniniai pluoštelių iškraipymaikiekvieną pavasarį, atsirandantys pritekėjus į Ženevos ežerą nuo kalnųvandens. Galų gale, 1995 birželį buvo užfiksuoti pluoštelių iškraipymai,pasikartojantys reguliariai paros bėgyje. Tyrėjų nuostabai, nuodugniaupatyrinėjus 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 judapro platformą Nr 4″.Kitas pavyzdys – rekonstruotas Arecibo observatorijos (Puerto Rico) 305 mdiametro radioteleskopas. Jis toks jautrus, kad gali užfiksuoti telefonoaparato, jei toks būtų, esančio Veneros paviršiuje, skambučio skleidžiamaselektromagnetines bangas ir surasti pakankamai pavojingai priartėjusiusdidesnio nei 20 m diametro asteroidus.Pav. 1.7. Arečibo radioteleskopas.Galų gale, labai įspūdingas yra ir kosminis Hablo teleskopas, kurioskiriamoji geba yra 0.01″.Pav. 1.8. Hablo teleskopas (NASA).Dar viena Visatos ypatybė yra ta, kad gamtos knyga, kaip sakė tas patsGalileo Galilėjus, parašyta matematikos simbolių kalba ir josnesuprantantys gali nesuvokti nė vieno žodžio ir pasiklysti joje kaiptamsiausiame labirinte. Ačiū dievui, tą matematiką, kurią jis turėjogalvoje taip sakydamas, visi mes jau esame išmokę mokykloje, nes vis tikšiems žodžiams daugiau kaip 350 metų. Iš kitos pusės, ir matematika kaipkalba, ir supratimas apie Visatą per šį laiką labai pasikeitė, todėlišdėstyti pilnai kvalifikuotai šiuolaikinį požiūrį į ją vėl nėra lengvanesinaudojant adekvačiu matematikos aparatu, tačiau pabandyti labai verta,nes kuo bus platesnė jūsų Visata, tuo išmintingesnė ir tuo pačiuturtingesnė 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 tvirtassferinis dangaus skliautas, skiriantis Žemę nuo dangaus, kuriame buvoišbarstytos nejudančios žvaigždės. Visas skliautas, aišku, sukosi apie Žemępastoviu greičiu. Šis Visatos suvokimas sudarė teologinės kosmologijos,gyvavusios iki XV amžiaus, pagrindą. Jis pasikeitė tik 1417 metais po ilgosužmaršties atspausdinus Lukrecijaus (99-55 BC) poemą “Apie daiktųprigimtį”, kurioje Visata buvo vaizduojama kaip tuštuma, retsykiaisužpildyta judančiomis nedaliomis dalelėmis. Buvo teigiama, kad Visataneturi 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 laužoDžordano Bruno (1548-1600), aktyviai platinęs neoriginalias ir daugeliuatvejų nerealias idėjas.Pabandykime suvokti, koks naivus yra toks vaizdas. Kaip tiksliai žinoma,didžiausias materialių kūnų judėjimo greitis negali viršyti šviesos greičiovakuume, lygaus apytikriai 300 000 km per sekundę. Tai yra didžiausiasgalimas ir šios kietos sferos dalių judėjimo greitis. Sfera gi per parąturi “apsisukti” aplink Žemę, todėl maksimalus jos atstumas nuo Žemės turibūti baigtinis. Nesunku suskaičiuoti, kad jis gali būti ne didesnis užketuris milijardus kilometrų. Paskutinės žinomos planetos – Plutono –orbitos spindulys lygus maždaug šešiems milijardams kilometrų. Taigi, šisfera 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 buvoparemta tuo, kad garso dažnis priklauso nuo stygos ilgio panašiai kaipplanetos apsisukimo periodas – nuo jos atstumo nuo Saulės. Konkretesnisbuvo Platonas (427-347 BC), priskyręs kiekvienai planetai permatomą betkietą sferą, kuri judėjo (sukosi) nešdama “savo” planetą. Platono mokinysAristotelis (384-322 BC) šį mokslą patobulino, padidindamas sferų skaičiųiki 55. Visiško tobulumo sferų moksle pasiekė Ptolemėjus. Jo darbe,paskelbtame apie 150 AD, operuojama su 40 orbitų, leidusių aprašytipagrindinių planetų judėjimą dideliu tikslumu, nepagerintu 14 amžių (ikiTicho Brage ir Johano Keplerio darbų pasirodymo). Viduramžių arabai šįdarbą vadino Almagest, kas reiškė didžiausią tobulybę.Esminę Ptolemėjaus sistemos transformaciją atliko Kopernikas (1473-1543),pernešdamas Visatos centrą iš Žemės į Saulę. Jo darbas vadinosi “Apiedangaus sferų judėjimą”. Jame nebuvo jokių naujovių dėl žvaigždžių sferos,vietoje 40 Ptolemėjaus sferų teko įvesti 48, bet planetų judėjimo aprašymasnetapo tikslesnis, ir esminis argumentas, kodėl Visatos centre yra Saulė,buvo tas, kad ji yra pagrindinė, nes viską apšviečia, bet pati idėjapasirodė labai teisinga ir neįkainojama.Pav. 1.10. Planetos ir sferos.Visos minėtos teorijos, kaip matome, net nekėlė klausimo, kodėl šios sferosjuda. Platonas netgi teigė, kad judančios be priežasčių žvaigždės turisielas. Mažiausiai du tūkstančius metų nesuvokiama protu jėga, judinantiplanetas ir žvaigždes, turėjo būti dieviškos arba bent jau nežemiškosprigimties, ir šis faktas itin skatino visokių mitų ir pasakų populiarumą.
Tikiuosi, kad įdėmiai perskaitę šią knygą turėtumėt suvokti protingus irtodėl gana paprastus atsakymus į šiuos net ir šiandien dar gana sudėtingusklausimus. Visatos paslapčių liks, bet jos bus jau ne tokios skaitlingos irne 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 yrabūtent taip, o ne kitaip. Šioje vietoje, žinoma, tuoj pat kyla abejonės, artai, kaip sistema atrodo, turi ryšį su tuo, kokia ji yra iš tikrųjų.Vienintelė garantija šiuo atveju yra visuotinai priimti reikalavimaimokslinei teorijai. Ji turi ne tik aprašyti stebimus reiškinius, bet irteisingai nuspėti dar nestebėtus. Jei kokia teorija šios sąlygos netenkins,apie ją nekalbėsime, arba užsiminsime, specialiai pabrėždami jos silpnąsiasvietas.Klasikinis tiesos paieškų pavyzdys yra Niutono visuotinės traukos teorija.T.Bragės planetų judėjimo stebėjimų rezultatai buvo tvarkingai surašytidaugelyje tomų, tačiau susigaudyti juose jis pats nepajėgė. Tai pavyko tikjo mokiniui J.Kepleriui, kuris surado tuose rezultatuose keletą dėsningumų,kurie žinomi kaip trys Keplerio dėsniai. Galileo Galilėjus, pasigaminęssavo garsųjį teleskopą ir pažvelgęs į Jupiterį pamatė keturis jodidžiuosius palydovus ir lengvai įsitikino, kad jų judėjimas tenkina tuospačius Keplerio dėsnius, surastus tiriant planetų judėjimą. Taiakivaizdžiai pademonstravo, kad ir Saulės, ir Jupiterio palydovų judėjimąsukelia tos pačios jų sąveikos jėgos, o valdo tie patys gamtos dėsniai.Deja, paaiškinti, kodėl planetos juda būtent pagal šiuos dėsnius, jis irginesugebėjo. Tai padarė I.Niutonas, kuriam teko būtent šiam tikslui sukurtišiuolaikinės matematikos – diferencialinio ir integralinio skaičiavimo –pagrindus. Vieną integralą jis integravo 20 metų, tačiau galų gale viskąišsiaiškino. Sukurta teorija ne tik paaiškino Mėnulio ir planetų judėjimą,Keplerio dėsnius ir Bragės stebėjimų rezultatus, bet ir dabar, praėjusdaugiau kaip 300 metų, beveik tokiame pat pavidale naudojama bet kąkonstruojant, statant arba leidžiant kokią nors raketą. Per šį laikąpaaiškėjo ir jos taikymo ribos. Jei kūnai juda dideliais greičiais, vietojeNiutono klasikinės mechanikos tenka taikyti Einšteino reliatyvistinę.Mikroskopinių kūnų, tokių kaip molekulės, atomai ar dar smulkesni,aprašymui tenka naudoti kvantinę mechaniką. Tai nė kiek nesumenkina Niutonoteorijos, nes mesto į viršų akmens arba leidžiamo į orbitą kosminio laivojudėjimui aprašyti nei reliatyvumo teorija, nei kvantinė mechanikanereikalingos.Pastabesnis skaitytojas, tikriausiai, jau suprato, kad šiuolaikinis mokslasir savo išvadomis, ir pačia savo esme, paremta tuo, kad pasitikėti galimatik patikrintomis ir galiojančiomis plačiausiam reiškinių ratui teorijomis,rimtai konfliktuoja su tiesomis, kuriomis kartais primityviai agituojamatikėti be jokių išlygų, kokios keistos jos bebūtų. Mokslinei teorijai, kurituri minėtus griežtus, pagrįstus ir protingus savo gerumo kriterijus, tokiųtiesų egzistavimas jokios įtakos turėti negali. Tas pats galioja irsąžiningiems mokslininkams. Būrėjų ir astrologų pranašystės, ekstrasensųpoveikiai nestabilios psichikos žmonėms, religijos mitai ir dogmos jokiubūdu netenkina išvardintų mokslinės teorijos kriterijų.Taigi, reziumuojant galima pasakyti, kad sąžiningai traktuojamišiuolaikiniai gamtos mokslų rezultatai rodo, kad “Visata yra be ribųerdvėje, be pradžios ir pabaigos laike ir be kokių nors galimų darbųKūrėjui” (iš Carl Sagan pratarmės S.Hawking knygai “A brief history oftime”). 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 būtųsu manimi pasikonsultavęs, aš būčiau pataręs jam padaryti ką norspaprastesnio”.
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 pertoli, kad galėtų taip greitai ir visos vienu metu kas parą apie musapsisukti.Pav. 2.1. Žemė iš kosmoso (NASA).Kur nukreipta jos sukimosi ašis, žinoma labai seniai. Ji eina per abu Žemėspolius, ir šiaurinis galas visiškai atsitiktinai šiuo metu “remiasi”danguje į Šiaurinę žvaigždę. Jeigu, nukreipę į tą Šiaurinę žvaigždępaliktume visai nakčiai įjungtą fotoaparatą, išryškinę juostelę pamatytume,kad visos žvaigždutės pasisuka per naktį apie ją ratu. Laikui bėgant tasašies “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 irįsitikinkime, kokia išcentrinė jėga dėl to atsiranda. Greičiausiai Žemėjuda pusiaujyje, todėl suradę tų taškų judėjimo greitį, galėsime būtitikri, kad radome jo didžiausią vertę, nes poliuose esantys taškainesisuka, o tolstant nuo poliaus greitis tolydžio didėja. Pilnas Žemėsapskritimo ilgis pusiaujuje sudaro apie 40 000 kilometrų, ir toks atstumasnuskriejamas per parą, tai yra per 24 valandas. Padalinę gauname, kadgreitis yra kiek didesnis negu 1662 km per valandą. Lietuva yra maždaug 55laipsnių platumoje, todėl šioje vietoje paviršiaus taškų sukimosi greitis
kiek mažesnis nei pusiaujuje. Jis gaunamas pateiktą padauginus iš šio kampokosinuso. Gaunasi maždaug 953 kilometrai per valandą. Šiuolaikiniailaineriai skraido panašiais greičiais, todėl galima įsivaizduoti, kad mūsųplatumoje skrendantis lėktuvas galėtų viename taške pakilti, o kitamenusileisti tuo pačiu vietos laiku. Išcentrinė jėga, kylanti dėl tosukimosi, lygi greičio kvadratui, padalintam iš to taško atstumo nuo Žemėssukimosi ašies. Pusiaujuje ji gaunasi lygi 3,36 cm/s2, tuo tarpu laisvojokritimo pagreitis (980 cm/s2) yra maždaug 300 kartų didesnis. Dėl šiospriežasties netgi pusiaujuje esantį kūną prie Žemės traukianti jėga yrabeveik tris šimtus kartų didesnė už išcentrinę jėgą, kuri bando tą kūnąpakelti nuo Žemės paviršiaus. Aišku, kad tas sukimasis yra per lėtas, kadjo sukelta jėga galėtų kaip nors pastebimiau pasireikšti kasdieniniamegyvenime.Kadangi Saulė teka iš rytų, nesunku susigaudyti, kad Žemė sukasi iš vakarųį rytus, arba žiūrint iš Šiaurės poliaus – prieš laikrodžio rodyklę.Be judėjimo apie savo ašį Žemė dar juda orbita apie Saulę, apsukdama pilnąratą tarp dviejų tapatingų orientacijų Saulės atžvilgiu per metų laikųkitimo periodą, vadinamą metais, tai yra per 365.2422 paras. Būtent dėl to,kad šis skaičius nėra lygus sveikam skaičiui ar kokiai nors jo paprastaidaliai, reikalingi keliamieji metai ir kitokios kalendoriaus modifikacijos,kurias išsiaiškinsime 7 Skyriuje. Žemės orbita yra beveik apskritimas,kurio vidutinis spindulys, vadinamas astronominiu vienetu (AV), sudaro apie150 milijonų kilometrų. Kitais žodžiais tariant, šviesa, kurios greitislygus 300 000 kilometrų per sekundę, iš Saulės į Žemę ateina maždaug peraštuonias minutes. Šis atstumas metų bėgyje truputį kinta, kadangi Žemė,kaip ir kitos planetos, juda ne apskritimu, o elipse, kurios vienamežidinių yra Saulė. Dėl šios priežasties sausio mėnesį atstumas tarp Žemėsir Saulės lygus 147, o liepos mėnesį – 152 milijonams kilometrų. Taigi, šielipsė nuo apskritimo skiriasi nežymiai, ir todėl galima visai pagrįstai tąorbitą laikyti apskritimu, kurio spindulys lygus AV. Turint šiuos duomenis,nesunku surasti Žemės judėjimo savo orbitoje greitį, nes per metus jinuskrieja tą apskritimą, kurio ilgis yra 2(*AV, o metai turi maždaug 32milijonus sekundžių. Greitis gaunasi nemažas, apie 30 km/s, bet išcentrinisšio judėjimo orbita pagreitis dėl labai didelio jos spindulio yra darmažesnis nei anksčiau skaičiuotas ir sudaro tik apie 0,6 cm/s2. Taigi, šiosukimosi sukeliamų jėgų praktiškai irgi nepastebime.Plokštuma, kurioje guli Žemės orbita, vadinasi Ekliptikos plokštuma. Metųlaikai – žiema, pavasaris, vasara ir ruduo – keičia vienas kitą tik todėl,kad Žemės pusiaujo ir Ekliptikos plokštumos nesutampa, o yra orientuotosviena kitos atžvilgiu 23.5 laipsnių kampu. Kitais žodžiais tariant, Žemėssukimosi ašis yra ne statmena Ekliptikos plokštumai, o sudaro su statmeniuirgi tokį pat kampą. Šio kampo dydis judant Žemei orbita nekinta, nes toneleidžia judesio kiekio momento tvermės dėsnis. Dėl šios priežasties mūsųnuotrauka yra praktiškai tokia pati, nepriklausomai nuo to, kadafotografuota – vasarą, žiemą ar kitu metų laiku. Minėtas tvermės dėsnis,tačiau, leidžia Žemės sukimosi ašiai suktis apie statmenį Ekliptikosplokštumai, bet kadangi kiekvienas toks apsisukimas trunka maždaug 25 725metų, šis ašies sukimasis, vadinamas precesija, praktiškai nestebimas.Šiuolaikiniais prietaisais jį galima aptikti per keletą naktų, bet stebintneginkluota akimi tam gali prireikti šimtmečių. Tarp kitko, senovės graikaišį 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 irnetgi šiek tiek kinta jos ekscentricitetas. Vienas toks apsisukimas įvykstaper 111 270 metų, taigi yra dar sunkiau pastebimas ir išmatuojamas. Jeiįsivaizduotume, kad galime pažvelgti į Saulės sistemą iš išorės, taižiūrint iš tos pusės, į kurią nukreipta Žemės sukimosi ašis (jos šiaurėspolius), pamatytume, kad Žemė, kaip ir visos kitos planetos, juda apieSaulę kryptimi prieš laikrodžio rodyklę.Pabandykime išsiaiškinti, kas tai yra para. Įsivaizduokite, kad esatepusiaujuje ir tam tikru momentu Saulė yra jums tiesiai virš galvos.Apsisukus Žemei 360 laipsnių kampu apie savo ašį, tai yra kitą dienąmaždaug tuo pat metu, dėl Žemės judėjimo orbita apie Saulę, ji bus jaukitoje vietoje, ir Saulė dar nebus tiesiai virš galvos. Tai įvyks tik poketurių minučių. Para, tai yra 24 valandos, pagal susitarimą lygi nelaikui, per kurį Žemė apsisuka apie savo ašį, bet laiko intervalui tarpdviejų artimiausių momentų, kai Saulė būna zenite tame pačiame Žemės taške.Pilno Žemės apsisukimo apie savo ašį laikas lygus 23 valandoms, 56 minutėmsir 4 sekundėms. Tai vadinama žvaigždžių para, priešingai Saulės parai,lygiai 24 valandoms. Aišku, kad 24 valandos yra vidutinė Saulės parostrukmė, nes Saulės paros ilgis nėra pastovus metų bėgyje dėl to, kad patiŽemė savo orbita juda ne visai pastoviu greičiu. Jis yra kiek mažesnis, kaiji 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 jiilgesnė nei 17 valandų) ir mažiausiąją vertę – po pusės metų, tai yragruodžio gale, kai jos ilgis neviršija 7 valandų. Keliaujant į pietus šisskirtumas vis mažėja, o į šiaurę – vis didėja. Poliariniame rate, tai yrasiauroje juostoje, kurios taškai vienodai nutolę nuo poliaus, ir visų jųšiaurės platuma lygi 66.5 (tai yra 90 – 23.5) laipsnio, šis dienos irnakties trukmių skirtumas yra toks, kad vieną parą metuose (birželio gale)Saulė čia iš viso nenusileidžia, o vieną parą gruodžio gale – iš visonepakyla virš horizonto. Kuo toliau į šiaurę už poliarinio rato, tuodaugiau vasarą tokių labai ilgų dienų, trunkančių visą parą, ir tuo daugiaužiemą trunkančių visą parą naktų. Galų gale, pačiame šiaurės poliuje Saulėpusę metų iš viso nenusileidžia už horizonto, o kitą pusę metų virš jonepakyla.Iš kitos pusės, Saulė zenite gali būti tik srityje apie pusiaują, kurioplatuma ne didesnė kaip 23.5 laipsnių. Pas mus Lietuvoje tai negręsia, nesplatuma, kaip minėta, lygi maždaug 55 laipsniams.Pav. 2.4. Žemė tuomet, kai šiaurės pusrutulyje vasara ir tuomet, kai jamežiema.Pabaigai tikslinga tarti keletą žodžių apie Žemę kaip dangaus kūną. Jipanaši į rutulį, kurio spindulys apytikriai lygus 6367 km (pusiaujyjemaždaug 21 kilometru didesnis negu poliuje), o masė – 5.974*1024 kg.Vidutinis tankis lygus 5.517 kg/dm3. Paviršiuje jis mažiausias, ir siekiaiki 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 sudėtisir jos viršutinių sluoksnių struktūra yra labai palankios atspindėtišviesai, todėl jos albedo (šviesos atspindžio koeficientas) lygus 0.31.Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo albedo lygus tik 0.07 ir todėl jisyra daug tamsesnis už Žemę. Žemės nuotrauka, padaryta Mėnulyje, yra tiesiogįspūdinga. Gal taip yra dar ir dėl to, kad žiūrint iš Mėnulio Žemė atrodoketuris 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 – požemynais. Giliau esanti maždaug 2 900 km storio mantija yra žymiaipaslankesnė, 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 daugmetalo. Dėl esančių Žemės viduje radioaktyviųjų elementų temperatūra einantgilyn į Žemę greitai kyla, prie paviršiaus kas kilometras padidėdamamaždaug 25 laipsniais. Žemės centre ji gal net siekia 6-7 tūkstančiusKelvino laipsnių.Žemės paviršinis sluoksnis yra sudarytas iš dalių, judančių viena kitosatžvilgiu. Tas judėjimas sukelia Žemės drebėjimus ir ugnikalniųišsiveržimus, o susidūrimų metu yra susiformavę kalnynai. Dėl šių procesųAtlanto vandenyno centre besiveržianti magma formuoja kalnagūbrį, kuriošiaurinis 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 drebėjimąšešerius metus Ramiojo vandenyno ir Šiaurės Amerikos plokštės, kuriosnuolatos juda viena kitos atžvilgiu maždaug 2 cm per metus greičiu, buvogalutinai susikabinę. Susikaupęs per tą laiką 12 cm poslinkio deficitasdrebėjimo metu privertė tas plokštes pasislinkti viena kitos atžvilgiu apiepusę metro.Žemės paviršių dengia dujų sluoksnis – atmosfera, kurios tankis tolydžiomažėja, todėl storis, kuriame jis yra pakankamai didelis, sudaro taip pattik kelias dešimtis kilometrų. Būtent atmosferos buvimas yra viena būtinųmūsų egzistavimo sąlygų ir to komforto, kuriame gyvename, priežastis. Jeijos nebūtų arba ji būtų nepakankamai tanki, sąlygos Žemėje pastebimaisuprastėtų. Pirmiausia, niekas nesaugotų nuo nuolatinio meteoritų lietaus,antra – žymiai padidėtų dienos ir nakties temperatūrų skirtumas ir galėtųbūti netgi pažeistas vandens apykaitos ciklas (įsivaizduokite, kas būtų,jei kiekvieną naktį užšaltų visi vandens telkiniai, o kiekvieną dienąužvirtų). Atmosfera, sugerdama Saulės spinduliuotę, įkaista. Priklausomainuo įvairių elementų ir junginių, skirtingai pasiskirsčiusių įvairiuoseatmosferos sluoksniuose ir sugeriančių skirtingų bangų ilgių spindulius,jos temperatūra yra labai įvairi. Svarbus Žemės skydas nuo pražūtingoSaulės vėjo poveikio yra jos magnetosfera, sąlygojama gana stipraus vidiniomagnetinio lauko buvimo.Pav. 2.7. Temperatūros pasiskirstymas atmosferoje.Pav. 2.8. Žemės magnetosfera.Centrinis sistemos kūnas – Saulė, apie kurią sukasi visos planetos, yranormali, niekuo neišsiskirianti žvaigždė. Stebima daug šimtus kartųdidesnių ir milijonus kartų šviesesnių žvaigždžių. Apie Saulę ir kitasžvaigždes mes dar kalbėsime smulkiau, todėl dabar aptarkime tiksvarbiausias jos savybes. Jos diametras lygus 108.97 Žemės diametrų, ovidutinis tankis sudaro tik 1.409 kg/dm3, tai yra beveik keturis kartusmažesnis už Žemės tankį. Vis tik Saulės masė 332 830 kartų didesnė už Žemėsmasę. Ji sudaro 99.85 procentus visos Saulės sistemos, tai yra Saulės,devynių didžiausių planetų, kometų, asteroidų, meteoritų ir tarpplanetinėserdvės, masės. Trumpai tariant Saulė yra sudaryta iš nedidelės šerdies,kurioje vyksta branduolinės reakcijos ir gaminama energija, ir supančio jąšviečiančių dujų debesies, kurio paviršių mes ir matome. Būtent tas lengvasdujų debesis taip stipriai ir įtakoja vidutinio Saulės tankio dydį, labaijį sumažindamas netgi palyginus su Žemės tankiu. Temperatūra Saulės centreyra apie 16 milijonų laipsnių, o tankis – apie 160 kg/dm3, gi paviršiujesiekia tik apie 6 tūkstančius laipsnių. Nustatyta, kad Saulė irgi sukasiapie savo ašį, tačiau jos apsisukimo periodai yra skirtingi įvairiosevietose – centras apsisuka per 27 Žemės paras, pusiaujas – per 25.7, opolių aplinka – per 33 paras. Saulės pusiaujo plokštuma irgi nesutampa suEkliptikos plokštuma, bet yra pakrypusi į ją 7.25 laipsnio kampu. Žiūrintiš Žemės šiaurės poliaus pusės, Saulė, kaip ir Žemė, sukasi kryptimi priešlaikrodžio rodyklę.Pav. 2.9. Saulės panorama.Antrasis svarbiausias mūsų kaimynas yra Mėnulis. Jo paviršius, kaip irŽemės, yra kietas. Matomos ir plika akimi tamsesnės jo paviršiaus sritysdar nuo Renesanso laikų vadinamos jūromis, nes buvo manoma, kad josužpildytos vandeniu. Žvilgterėjus kad ir per primityvų teleskopą, lengvapastebėti Mėnulio paviršiuje apvalias įdubas. Buvo manoma, kad tai yraMėnulio vulkanų krateriai, tačiau pasigilinus nustatyta, kad Mėnulis yravisai atvėsęs ir nerodo jokio vulkaninio aktyvumo, ir jie yra atsiradęsusidūrus su įvairiais atsitrenkusiais į paviršių kūnais. Mėnuliodiametras, lygus 3476 km, sudaro maždaug ketvirtį (tiksliau – 0.273) Žemėsdiametro, o masė – 0.0123 (apytikriai 1/81) Žemės masės. Tankis irgimažesnis nei Žemės ir lygus 3.34 kg/dm3. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos,jo paviršiaus temperatūra dieną lygi maždaug plius 130 Celsijaus skalėslaipsnių, o naktimis nukrenta iki minus 170 laipsnių. Mėnulis apskriejaŽemę per 27.32 Žemės paros (tai yra Mėnulio “metai”), o jo apsisukimo apiesavo ašį laikas (Mėnulio diena) irgi tiksliai lygus 27.32 Žemės paros,todėl į Žemę nuolatos būna atkreipta ta pati jo pusė. Šį reiškinį, kurisbūdingas daugeliui dangaus kūnų porų, sąlygoja potvynio bangos, kuriasvienas jų sukelia antrajam. Mėnulio keliami potvyniai stabdo Žemėssukimąsi. Lygiai taip pat Žemės sukeliamos Mėnulio plutos deformacijos“potvynio bangos”, nuolatos sklidusios jo paviršiumi, jau prieš daugelįamžių sustabdė Mėnulio sukimąsi, nes Žemės poveikis Mėnuliui yra žymiaididesnis už Mėnulio poveikį Žemei. Taigi, ilgainiui Mėnulio “potvyniobanga” pradėjo nebesklisti jo paviršiumi, nes paprasčiau tapo jam Žemėslink vis pasisukti savo masyvesniąja puse.Pav. 2.10. Mėnulis.Vidutinis Mėnulio orbitos spindulys lygus 384 401 km (arba maždaug 60.4Žemės spindulio; tokį atstumą nuo pagaminimo iki rimto remonto nuvažiuojamiesto autobusas); Mėnulio atstumas nuo Žemės nėra pastovus, o kiekvienoapsisukimo metu pakinta nuo mažiausios vertės, lygios 363 297 km ikididžiausios, lygios 405 505 km. Mėnulio orbitos plokštuma orientuotaoriginaliai ir nesutampa nė su viena išvardintų. Ji yra pakreipta 5laipsnių kampu į Ekliptikos plokštumą. Dėl šios priežasties palyginti retaipasitaiko Mėnulio ir dar rečiau – Saulės užtemimai. Jie gali įvykti tiktaitada, kai Saulė, Žemė ir Mėnulis išsirikiuoja beveik vienoje tiesėje irMėnulis patenka į Žemės šešėlį (Mėnulio užtemimas) arba Mėnulio šešėliskrenta į Žemę (Saulės užtemimas). Deja, netgi tokiu atveju užtemimai nevisada įvyksta, nes tuomet, kai Mėnulis būna maksimaliai nutolęs nuo Žemės,jo šešėlio intensyvioji dalis (umbra) Žemės nepasiekia. Saulės užtemimometu Mėnulio šešėlis dengia tik dalį Žemės paviršiaus ir gana greitai juda.Pav. 2.11. 2003.05.15-16 dienomis vykusio Mėnulio užtemimo matomumo Žemėježemėlapis (NASA).Pav. 2.12. Vaizdas, kuris Mėnulio užtemimo metu matosi iš paties Mėnulio(NASA).Mėnulio judėjimo orbitoje kryptis vėlgi yra tokia pati, kaip Saulės planetųir Žemės, tai yra stebint iš Žemės šiaurės poliaus – prieš laikrodžiorodyklę. Mėnulis ne tik juda orbita apie Žemę, bet tuo pat metu kartu suŽeme skrieja apie Saulę. Dėl šios priežasties Mėnuliui apskriejus Žemę, taiyra kai po 27 parų, 7 valandų ir 43 minučių jis atsiduria toje pačiojevietoje žvaigždžių atžvilgiu (tai ir vadinama žvaigždiniu periodu), Saulėsatžvilgiu jis dar nebūna orientuotas taip pat kaip pradiniu momentu. Taiįvyksta tik po dviejų parų. Šis didesnysis periodas, lygus 29 paroms, 12valandų ir 44 minutėms būtent ir yra vadinamas Mėnulio mėnesiu. Tokiudažniu kartojasi Mėnulio fazės – pilnatis (kai jis yra priešingoje pusėjenegu Saulė), delčia, jaunas (kai jis atsiduria toje pačioje pusėje kaipSaulė) ir priešpilnis.Pav. 2.13. Mėnulio fazės.Kaip žinote, Mėnulis sukelia Žemėje reguliariai besikartojančius potvyniusir atoslūgius. Kitas galimos Mėnulio įtakos gyvenimui Žemėje pasireiškimasyra susijęs su įvairiais prietarais apie jo fazių reikšmę. Tai, kad Mėnuliofazės negali turėti įtakos kokiai nors tešlai, autobusų kursavimotvarkaraščiui arba egzaminų rezultatams, matyt tikite kiekvienas, tačiauyra ir kitokių, ne taip akivaizdžiai kvailų prognozių. Pavyzdžiui,laikraščiuose kiekvieną pavasarį spausdinamas agronomų sudarytas sėjoskalendorius, kuriame rekomenduojama sėjant ar sodinant atsižvelgti įMėnulio fazes. Pabandykime išsiaiškinti, ar tai gali turėti kokią norsįtaką 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 veikiaįvairūs dangaus kūnai.
Kaip matome iš 1 Lentelės, Saulė veikia ant Žemės esantį kūną beveik 250kartų didesne jėga, negu Mėnulis. Panašiai kaip ir Mėnulis, žiūrint išŽemės, ji kiekvieną parą apsisuka aplink Žemę, tačiau niekas nesako, kad jigali sukelti tokius potvynius, kaip Mėnulis.Problemos sprendimo raktas yra tas, kad visuotinės traukos dėsnyje sąveikatarp dviejų masių proporcinga toms masėms ir atvirkščiai proporcingaatstumo tarp jų kvadratui. Kas yra tas atstumas, pasakyti, jei geraipagalvosime, ne taip jau ir paprasta. Įsivaizduokite šalia viena kitospadėtas dvi liniuotes. Nuo kurių taškų matuoti atstumą tarp jų? Jį galimaapibrėžti labai plačiose ribose. Rekomenduotas mokykloje tokiu atvejuatstumas tarp masių centrų paprasčiausiai duoda klaidingą rezultatą. Norintgauti teisingą atsakymą, reikia susumuoti sąveikas tarp visų vienos irkitos liniuotės molekulių. Tik tuo atveju, jei vietoje liniuočiųnagrinėtume dviejų taisyklingų rutulių sąveiką, susumavę visas šiassąveikas gautume tokį pat rezultatą, kaip imdami atstumą tarp jų masiųcentrų ir leisdami, kad kiekvienos sferos masė sukoncentruota šiame vienametaške, tai yra mokyklinę Visuotinio traukos dėsnio formulę. Būtentskaičiuodamas šią sumą I. Niutonas ir sukūrė šiuolaikinės aukštosiosmatematikos pagrindus. Bendru atveju sąveikoja kiekviena Žemės molekulė sukiekviena Mėnulio molekule. Pažvelkime dabar atidžiau į Žemę. Tos jospaviršiaus dalys, kurios yra atkreiptos į Mėnulį, yra traukiamos žymiaistipriau negu esančios, žiūrint iš Mėnulio, Žemės kraštuose arbapriešingoje jos pusėje. Tai ir sąlygoja vandens tekėjimą iš pakraščių į abipuses – ir į tą, kuri atkreipta į Mėnulį, ir į priešingą. Dėl šiospriežasties potvyniai toje pačioje vietoje kartojasi ne kas 24, o maždaugkas 12 valandų. Visiškai tiksliai šnekant, dėl santykinio Žemės ir Mėnuliojudėjimo potvyniai kasdien dar apie 50 min vėluoja, todėl toje pačiojevietoje vyksta įvairiu paros metu. Ežere arba nedidelėje jūroje, tokiojekaip Baltijos jūra, didelių potvynių nebūna todėl kad jėgų, kuriomisMėnulis veikia vieną arba kitą jo (jos) pakraštį, skirtumas yra labaimažas. 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 kartusmažesnis. Reikia pažymėti, kad minėtos potvynio jėgos sukelia ne tikvandens masių, kas lengviausiai pastebima, bet ir atmosferos, o taip pat irŽemės paviršiaus deformacijas, siekiančias kelias dešimtis centimetrų.Potvyniai lėtina Žemės sukimąsi, todėl para nuolatos kiek ilgėja (maždaugpusantros sekundės per šimtą tūkstančių metų). Dėl to paties judesio kiekiotvermės dėsnio, siekdamas kompensuoti šį momento nuostolį, Mėnulis tolstanuo Žemės kokių 3 – 4 centimetrų per metus greičiu. Paprasti skaičiavimairodo, kad netgi Žemei visai nustojus suktis, jis vis tik liktų jospalydovu.Visų trijų kūnų – Saulės, Žemės ir Mėnulio – sąveika gali sukeltipapildomus efektus, sustiprinančius šiuos potvynius, kai jie išsidėstęvienoje tiesėje, tai yra kai Mėnulis yra pilnaties arba jauno fazėje, irsilpninančius juos Mėnuliui esant delčios ir priešpilnio fazėse. Tokspoveikis gali palengvinti daigų prasikalimą, todėl sėjos kalendoriai suastrologija ryšio neturi ir yra žymiai rimtesni, verti pasitikėjimodokumentai.Beveik visos šių trijų kūnų ir jų orbitų savybės daugiau ar mažiau tiksliaiyra 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 praėjusiojepaskaitoje. Žemė, deja, yra tik vienas iš devynių didžiųjų Saulės palydovų,vadinamų Saulės sistemos planetomis, o Mėnulis – vienintelis ne dirbtinisŽemės palydovas. Taigi, kitais žodžiais tariant, Saulė turi devynismėnulius.Penkios pirmosios planetos yra lengvai matomos iš Žemės neginkluota akimi,būtent jų judėjimas daugelį amžių taip domino astronomus. Kai kurios Saulėsplanetos irgi turi palydovų (mėnulių), ir, kaip matysime, kartais netgidaugiau negu Saulė.Apžvelkime pirmiausia pačių planetų savybes.Pirmiausia, aišku, reikėtų apibrėžti, kas tai yra planeta. Be jau minėtųdevynių, Koiperio žiede, esančiame dar toliau už Plutono orbitą, skriejatūkstančiai mažesnių ar didesnių objektų, savo dydžiu ir savybėmispretenduojančių vadintis tuo vardu, tačiau pagal susigulėjusias tradicijasplanetomis nevadinamų. Tie objektai yra labai toli, jie matomi tik pačiaisgeriausiais teleskopais, todėl iš minėtos klasifikacijos iškrenta.Priešingu atveju, tobulėjant stebėjimų technikai, tas sąrašas galėtų labaiišsiplėsti. Štai 2002 metais atrasta tokia “planeta”, pavadinta indėnųdievo “Quaoar” vardu, kurios diametras tik du kartus mažesnis už Plutono, ovidutinis nuotolis nuo Saulės sudaro apie 42 AV. Kadangi netrukus, kiekpatobulinus tuos stebėjimus, galima tikėtis aptikti ir daugiau panašiųobjektų, planetomis susitarta vadinti tik tuos devynis pačiusdidžiausiuosius ir arčiausiai Saulės esančius objektus, apie kuriuos čia iršnekėsime.Pav. 3.1. Žemės, Mėnulio, Plutono ir Quaoar dydžių palyginimas.Bendra visoms planetoms yra tai, kad jos visos juda apie Saulę į tą pačiąpusę. Kaip žinome, Žemės sukimosi ašis nukreipta į Šiaurinę žvaigždę. Kaipjau anksčiau minėta, žiūrint iš tos pusės į Saulės sistemą, visos planetosjuda beveik toje pačioje (ekliptikos) plokštumoje ta pačia kryptimi – priešlaikrodžio rodyklę.Toliau jau prasideda skirtingumai. Pagal įvairias savybes planetas galimasuskirstyti į dvi grupes. Pirmąją sudaro vadinamosios žemiškosios, oantrąją – dujinės išorinės jupiteriškosios planetos. Pagrindinis šių grupiųskiriamasis bruožas yra planetos tankis. Žemiškosios planetos yra tankios,turinčios kietą paviršių, Jupiteriškosios – nedidelio tankio su difuziniupaviršiniu sluoksniu. Visus duomenis galite pamatyti 3.1 Lentelėje. Tankiaiten pateikti gramais į kubinį centimetrą (tai sutampa su tonomis į kubinįmetrą); 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 arčiauSaulės negu Žemė) ir Marsas, kurio orbita yra toliau. Visos jos lengvaipastebimos, 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 pavadinopasiuntinuko, išnešiojančio prekes, vardu, kadangi ji “laksto” greičiau užkitas planetas. Jos apsisukimo apie Saulę periodas yra tik 88 dienos. Pagalsavo dydį ji yra aštuntoji, mažesnio spindulio yra tik Plutonas. Saturnasir Jupiteris turi palydovų (mėnulių), kurie yra didesni už Merkurijų.Merkurijus labai panašus ir į mūsų Mėnulį – abu jie turi intensyviaisubombarduotą paviršių, abu neturi atmosferos, abu geologiškai mirę jaumilijardus metų, tačiau Merkurijaus tankis yra kiek didesnis, labiauartimas Žemės tankiui. Tai reiškia, kad jo šerdyje, kaip ir Žemės šerdyje,yra nemažai geležies. Šerdis sudaro apie 70 – 80 % jo spindulio, opaviršiuje yra silikatų kalnai. Atmosferos Merkurijus beveik neturi, todėljo paviršius dieną įkaista iki 427 laipsnių, o naktį – nukrenta iki minus173 laipsnių (vidutinė temperatūra lygi 179 Celsijaus laipsniams). KadangiMerkurijus visą laiką yra taip arti Saulės, tai jį galima pamatyti tiktada, kai Saulė yra ką tik pasislėpusi už horizonto, arba turi greitaipatekėti. Taigi, Merkurijų pastebėti ne taip jau ir paprasta, nes jam esantarti horizonto vaizdą iškraipo storas atmosferos sluoksnis, o albedo dėlatmosferos nebuvimo yra ne ką didesnis už Mėnulio ir sudaro tik 0.1. Dėlšios 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 artimiausiaŽemei, 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 galdar ir dėl to, kad ji, kaip ir Merkurijus, geriausiai matoma rytais irvakarais, kai Saulė jau arba dar pasislėpus už horizonto, Antikosastronomai ją pavadino grožio ir meilės deivės vardu. Venera iš pirmožvilgsnio atrodo kaip tikra Žemės sesuo. Abi jos labai panašios irtankiais, ir matmenimis. Čia panašumas, deja, baigiasi. Per keletąpastarųjų dešimtmečių rimtai užsiėmus jos tyrimais, nustatyta, kad jineturi okeanų, jos atmosfera labai sunki, sudaryta pagrindinai iš angliesdioksido, o debesys – iš sieros rūgšties lašų. Prie paviršiaus atmosferosslėgis yra 92 kartus didesnis už tokį slėgį prie Žemės paviršiaus. Dėltokios tankios atmosferos aktyviai reiškiasi šiltnamio efektas (Saulėsspinduliai, pakliuvę į paviršių, yra absorbuojami ir jį šildo, o nedidelėatsispindėjusi dalis vėlgi sugeriama atmosferoje), todėl Veneros paviršiaustemperatūra yra pastovi, nepriklausanti nuo to, ar tas plotelis yraapšviestas Saulės, ar ne. Aišku, ji yra pastovi ir žymiai aukštesnė neiMerkurijaus, lygi maždaug 482o C. Venera apsisuka apie Saulę per 225 Žemėsparas, Jos para (apsisukimo apie savo ašį periodas) didesnė už metus, neslygi 243 Žemės paroms. Venera šiek tiek išskirtinė ir ta prasme, kad apiesavo ašį sukasi iš rytų į vakarus, tai yra priešingai nei dauguma kitųplanetų. Storas Veneros debesų sluoksnis ilgus amžius gerai slėpė jospaviršių. Tik 1978 NASA Pioneer ekspedicija, 1983-1984 SSRS kosminiailaivai Venera 15 ir Venera 16 bei 1990-1994 NASA Magellan radaro tyrimaipagaliau leido atskleisti ir šias jos paslaptis. Jos paviršius pasirodėpalyginti jaunas geologine prasme ir ne taip senai (tik prieš 300-500milijonų metų) susiformavęs. Kalnai, sudarantys apie 85% paviršiaus, turivulkaninę 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 vadinamaraudonąja planeta, nes jos paviršius turi raudoną atspalvį. Senovėsegiptiečiai ją vadino Her Descher, tai yra raudonąja, o romėnai dėl topaties raudonumo pavadino karo dievo vardu. Marsas yra pusantro kartotoliau 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. Kitapriežastis, tarsi ir paremianti gyvybės egzistavimo hipotezę, buvoreguliariai besikartojantys sezoniniai (vasaros – žiemos) planetospaviršiaus atspalvio pokyčiai, kuriuos galėtų sukelti augalija. Deja, 1965liepą Mariner 4 persiuntė 22 Marso paviršiaus nuotraukas, padarytas išnedidelio atstumo. Jose aiškiai matėsi daug kraterių ir natūraliai atsiradęgrioviai, bet nepastebėta jokių dirbtinių kanalų arba tekančio vandensjuose. 1976 liepą ir rugsėjį du Vikingo moduliai nusileido ant Marsopaviršiaus. Kiekvienas jų atliko po tris biologinius eksperimentusnusileidimo vietose. Pasirodė, kad Marso dirvožemyje vyksta labai aktyvūsprocesai, bet jų prigimtis yra ne biologinė, o cheminė. Saulėsultravioletinė spinduliuotė yra prisotinusi Marso paviršių, todėl jisnuolatos sterilizuojasi ir turėtų sunaikinti gyvus organizmus, jei tokienetgi ir būtų. Neatmesta hipotezė, kad tolimoje praeityje kokia norsgyvybės 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 Žemėsatmosferoje. Skysti debesys pastebėti tik labai dideliame aukštyje, rūkaskartais stebimas tik daubose, o žiemą vietomis atsiranda nedidelis šerkšnosluoksnis. Gali būti, kad praeityje Marse buvo daugiau vandens, ir jopaviršiuje stebimi sraunių upių palikti pėdsakai. Didžiausia registruotapaviršiaus temperatūra yra 20o C, mažiausia -140o C, o vidutinė yra -63o C.Barometrinis slėgis Marse yra labai mažas – iki 10 milibarų (Žemėjevidutinis slėgis lygus 1000 milibarų). Anglies dioksidas užšalęs sudaropoliarines “kepures” kiekvieno poliaus žiemos metu, po to ištirpsta irišgaruoja atėjus pavasariui. NASA erdvėlaivis “Mars Global Surveyor”, nuo1999 metų vykdantis detalų Marso paviršiaus tyrimą, yra atsiuntęs daugkokybiškų nuotraukų, kurias galima surasti Internete NASA svetainėjeadresu http://www.nasa.gov/. NASA puslapyje rasite taip pat dar daugkitokios įdomios ir labai kokybiškos medžiagos apie Kosmosą.Sekančios keturios planetos – nuo penktosios iki aštuntosios – sudarojupiteriškųjų dujinių milžinių grupę. Jų tankai keletą kartų mažesni užžemiškųjų planetų tankius, o matmenys labai didelės.Pav. 3.3. Jupiteriškosios planetos – Jupiteris, Saturnas, Uranas irNeptunas.Penktoji planeta – Jupiteris – yra pati didžiausia Saulės sistemoje. Josviduje tilptų daugiau kaip tūkstantis Žemių, o jos masė yra tris kartusdidesnė už visų kitų planetų masių sumą. Jupiteris turi apie 30 mėnulių,kurių keturis (Io, Europą, Ganimedą ir Kalisto) Galilėjus pastebėjo dar1610 metais. Egzistuoja ir žiedų sistema, tačiau šie žiedai sudaryti išlabai smulkių dalelių, kurių diametras ne didesnis už 10 mikronų (panašiaikaip cigaretės dūmų dalelių), todėl iš Žemės yra nematomi jokiaisprietaisais. Juos 1979 metais aptiko Voyager 1. Išorinis žiedų sistemoskraštas siekia 129 000 km, o vidinis – 30 000 km nuo planetos centro.Manoma, kad šie žiedai susiformavo mikrometeoritams bombarduojant Jupiteriomėnulius, kurių orbitos yra žiedų viduje. Jupiterio atmosfera labai tanki,gali būti, kad visa planeta yra savotiškas šios atmosferos tęsinys. TuoJupiteris panašus tam tikra prasme į Saulę. Pabandykime išsiaiškinti šįteiginį. Paviršinis Jupiterio sluoksnis sudarytas iš vandenilio ir helioatomų su labai nedidele metano, amoniako, vandens garų ir kai kurių kitųjunginių priemaiša. Einant gilyn tankis taip padidėja, kad elektronaipraranda ryšį su savo protonais ir vandenilis tampa metalu. Gali būti, kadbūtent iš jo ir sudaryti Jupiterio vidiniai sluoksniai. Jupiterioatmosferoje stebimi sūkuriai, analogiški mūsų ciklonams ir anticiklonams,nuolatos judantys viena ar kita kryptimi.Šeštoji planeta yra Saturnas. Savo dydžiu ji yra antroji po Jupiterio, ojos masė beveik tris kartus didesnė už visų kitų planetų (išskyrusJupiterį) masių sumą. Aiškiai matosi, kad Saturnas yra susiplojęs poliuose,nes yra vienintelė planeta, kurios tankis yra mažesnis už vandens tankį irpriedo dar labai greitai sukasi. Jo para trunka tik 10 valandų ir 39minutes, tuo tarpu kai metai lygūs 29.5 Žemės metams. Saturno žiedų sistemapuikiai matoma ir tai daro jį vienu gražiausių dangaus kūnų. Išskiriamiseptyni svarbiausieji žiedai, kai kurie jų sudaryti iš mažesnių žiedelių,praktiškai susiliejančių į vieną visumą. Žiedai žymimi didžiosiomisraidėmis pradedant A ir baigiant G. Per teleskopą matomi tik ryškūs A ir Bžiedai 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 nuokeletos centimetrų iki keletos metrų. Pagal nuotolį nuo Saturno žiedaiišsidėstę taip: pirmasis yra D žiedas (vidutinis atstumas nuo Saturnocentro 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, kraštassiekia iki 300 000 km. Pagrindinių žiedų storiai ne didesni už 1 km, taigiiš tiesų tai yra unikalios ir labai gražios struktūros. Saturnas taip patturi 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. Saturnoatmosfera sudaryta iš vandenilio atomų su nedidele helio ir metanopriemaiša, todėl jo spalva yra gelsva. Atmosferoje siaučia didžiuliaivėjai, kurių greitis siekia 500 m/s. Kaip ir Jupiteris, Saturnas neturikieto paviršiaus. Atmosferai tolydžio tankėjant, ji ilgainiui virstametalinio vandenilio branduoliu, apsuptu silikatų ir metano, amoniako irvandens ledų sluoksniu. Centre temperatūra siekia 20 000 K, o tankis – 13.5g/cm3. Saturnas išspinduliuoja šilumos 2.5 karto daugiau, negu gauna išSaulės, o tai reiškia, kad jis, kaip ir kai kurios kitos planetos, turikažkokių vidinių energijos šaltinių.Būtent Saturnu ir baigiasi šešių arčiausiai Saulės esančių planetų sąrašas.Viena jų – Žemė – yra mūsų planeta, o kitos penkios – lengvai iš josmatomos, todėl yra vienos gražiausių ir įdomiausių dangaus šviesulių.Septintoji planeta – Uranas – yra taip pat dujų gigantas. Savo dydžiu jiyra trečioji Saulės sistemoje. Uraną ir du jo mėnulius atrado ir ištyrėWilliam Herschel 1781 – 87 metais. Urano atmosfera sudaryta iš vandenilio(83 %), helio (15 %), o taip pat nedidelių metano, acetileno ir įvairiųhidrokarbonatų priemaišų. Viršutinių sluoksnių metanas absorbuoja raudonosspalvos spindulius, todėl Uranas yra melsvai žalios spalvos. Uranasunikalus ta prasme, kad jo sukimosi ašis guli beveik orbitos plokštumoje,tai yra jis tarsi rieda orbita. Urano branduolys panašus kaip ir kitųgigantų. Sukasi irgi gana greitai – para yra 17 valandų ir 14 minučiųilgio. Stebėta ne mažiau kaip 15 jo mėnulių. 1977 metais ištirti pirmidevyni jo žiedai: jų gali būti ir daugiau.Paskutinysis, esantis toliausiai nuo Saulės, gigantas yra Neptunas. Jį 1846metais atrado J. G. Galle maždaug 1o nuotolyje nuo tos vietos, kurioje jįesant prognozavo U. Le Verrier, paskaičiavęs jo orbitą pagal Urano orbitostrikdymų rezultatus. Daugeliu savybių Neptunas panašus į kitus dujųgigantus, o ypač – į Uraną. Jis turi aštuonis mėnulius ir keturių žiedųsistemą.Paskutinioji, devintoji, sistemos planeta Plutonas yra ir pati mažiausioji.Ji atrasta 1930 metų vasario 18, kadangi ją galima pastebėti tik per gerąteleskopą. Skirtingai nuo kitų planetų, jos orbita yra labai ištęsta irtodėl kartais ji priartėja arčiau Saulės negu Neptunas. Tokioje padėtyje jipraleidžia apie 20 metų iš beveik 249 metų, reikalingų apsisukti apieSaulę. Šią kelionės dalį ji kaip tik ir baigė 1999 metais ir dabar pamažutolsta nuo Saulės. Plutonas išsiskiria dar ir tuo, kad jo orbitos plokštumaorientuota 17o kampu į Ekliptikos plokštumą, tuo tarpu kai visų kitųplanetų orbitų plokštumos beveik sutampa su ja. Plutono paviršių dengiakelių kilometrų storio metano ledas, o atmosferą sudaro šiek tiek to patiesmetano garų. Plutonas turi vieną mėnulį, vadinamą Charon pagal graikų mitųveikėją valtininką, gabendavusį mirusiųjų sielas i Hadą – mirusiųjųpasaulį, kurio dievas buvo vadinamas Plutonu. Paskutinei planetai su savopalydovu tai labai vykę pavadinimai. Kaip ir Mėnulis į Žemę, Charon įPlutoną nuolatos atsisukęs ta pačia puse. Apie Plutoną žinoma ne tiek jaudaug, tačiau planuojama kuo greičiau surengti ekspediciją, kad galima būtųištirti Plutoną dar prieš užšalant jo atmosferai, nes šiuo metu jis, kaipminėta, vis tolsta nuo Saulės ir tolydžio vėsta.Be išvardintų didžiųjų planetų orbitomis apie Saulę juda dar labai daugvisokių kitokių kūnų. Be Koiperio žiedo objektų, tokių kaip jau minėtasisQuaoar, yra dar ir vadinamieji asteroidai arba mažosios planetos. Tai –paprasčiausi metalo arba akmens gabalai. Didžiausias jų yra Cerera; josdiametras siekia 1000 km. Žinoma dar bent šešiolika asteroidų, kuriųdiametrai didesni negu 240 km. Dauguma jų skrieja erdvėje tarp Marso irJupiterio, tačiau keletos jų orbitos kerta Žemės orbitą. Jei visus žinomusasteroidus būtų galima surinkti į vieną vietą, tai susidarytų rutulys,kurio diametras būtų porą kartų mažesnis už Mėnulio diametrą. Manoma, kadjie susidarė arba formuojantis Saulės sistemai, arba sudužus planetaisusidūrimo su kokiu kitokiu kūnu metu. Yra požymių, kad tolimoje praeityjene vienas asteroidas yra susidūręs ir su Žeme. Jei dabar įvyktų kas norspanašaus, tai galėtų sunaikinti visą gyvybę. Yra užfiksuoti gana pavojingiasteroidų praskriejimai. Ikaras 1968 metais buvo priartėjęs prie Saulės per0.19 astronominių vienetų, o po to praskrido 16 milijonų kilometrų atstumunuo Merkurijaus. Erosas 1931 metais buvo priartėjęs prie Saulės 23 milijonųkilometrų atstumu. Būtent šiuo atveju galėtų praversti branduolinisginklas; pastebėjus atlekiantį tokį “daiktelį” galima būtų jį sunaikintiarba 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 jasusidurti, vadinami meteoroidais. Meteoroidui įlėkus į Žemės atmosferą dėltrinties jis dažniausiai išsilydo ar sudega; nukritę ant Žemės liekanosvadinamos meteoritais. 92.8 % jų yra akmeninių, 5.7 % – metalinių, o kitisudaryti iš įvairių mineralų. Galileo kosminis laivas neseniai praskriejovisai arti nuo artimiausių didelių asteroidų Gaspra (1991) ir Ida (1993) iratsiuntė puikias jų nuotraukas. Specialus NASA palydovas prieš kurį laikąnetgi buvo paleistas į vieną asteroidų – Erosą, ir kurį laiką apie jįsukdamasis sukaupė daug vertingos informacijos. Erosas pasirodė beesąsnetaisyklingos formos kas 5.3 valandos besivartantis 7 km storio, 19 kmpločio ir 30 km ilgio akmuo. Meteorų įskridimai į atmosferą, ypač kai Žemėkerta kokią nors sritį, kurioje jų koncentracija nemaža, irgi yra ganaspalvingas 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 trapūsnedideli 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 nedidesnis kaip 10 km. Kometų orbitos labai ištęstos; viename gale jos labaipriartėja prie Saulės, o kitame gali siekti toliau Plutono orbitos. Jomsartėjant 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 metrųatstume, o Saulės diametras būtų lygus maždaug 44 metrams (joje laisvaitilptų Žemė su skriejančiu apie ją Mėnuliu). Žemės orbitos spindulys, taiyra atstumas nuo Saulės, būtų lygus 5 kilometrams, o atstumas nuo Saulėsiki tolimiausios planetos – Plutono būtų lygus maždaug 200 kilometrų, taigiši 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 beesąlabai skirtingos, nors paprastam stebėtojui jos yra beveik vienodi,tamsesni ar šviesesni taškai, skirtingai nuo žvaigždžių, palyginus greitaiir iš pirmo žvilgsnio gana chaotiškai judantys dangaus skliaute.Prisiminkite Marso judėjimo trajektoriją, pavaizduotą Pav. 1.9. Būtent tasjų judėjimo nereguliarumas taip ilgai ir domino visus stebėtojus. Šiaislaikais, jei kas nors pradėtų įdėmiai žiūrėti į dangų, maišalynė būtų dardidesnė, nes skraido daugybė reisinių ir karinių lėktuvų bei dirbtiniųŽemės palydovų, kurie yra palyginus labai netoli Žemės, ir nors būdamimaži, atspindi pakankamai daug šviesos, kad būtų neblogai matomi. Kuo neplanetos? Įsigudrinus, žinoma, galima būtų greitai atskirti pelus nuogrūdų, bet senovėje ta prasme uždavinys buvo žymiai paprastesnis.Kai planetos jau identifikuotos, atsiranda naujų problemų, Pagrindiniaikylantys klausimai yra – iš kur jos atsirado ir kodėl jos taip juda? Kasvaro planetas ratu, kodėl jos nesustoja arba nenukrenta? Norint į juosatsakyti, reikia pirmiausia pasiaiškinti, kaip jos juda. Minėjome sudėtingąPtolemėjaus sferų sistemą (Pav. 1.10), sąžiningai tarnavusią beveikpusantro 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, kuriųjudėjimo priežastys buvo visiškai nesuprantamos, turi jomis ir judėti.Judėjimą elipsiu iš bėdos galima pavaizduoti, kaip dviejų sferų riedėjimąviena kitos paviršiumi ir naudojant šį modelį nuspėti, kur viena ar kitaplaneta bus po kurio nors laiko. Nepasitvirtinus kokiai prognozei modelįreikėdavo tobulinti, ir Ptolemėjus galų gale buvo šioje srityje pasiekęsdidžiausio įmanomo tikslumo.Pav. 4.1. Apskritimai, elipsės ir sferos.Ir prieš Ptolemėjų, ir po jo vis pasitaikydavo bandymų suvokti šį judėjimąkaip kažkokios visaapimančios harmonijos ar aukštesnės valios pasireiškimą,todėl kad žmogiškoji prigimtis pirmiausia verčia ieškoti ryšių tarp įvairiųpaslaptingų reiškinių. Plačiausiai žinomi bent jau bandymai susieti planetųjudėjimo harmoniją su muzikinių garsų ir spalvų deriniais. Kadangi tai ganaromantiška ir senovėje, sprendžiant iš įvairių išlikusių liudijimų, buvopopuliaru, pabandykime pasiaiškinti šį ryšį kiek nuodugniau.Kad išvengtume visiškos maišaties, nusikelkime bent jau į Koperniko laikusir tikėkime, kad planetos sukasi apie Saulę, o ne apie Žemę. Apsiribokimetaip pat penkiomis arčiausiai esančiomis ir lengviausiai pastebimomisplanetomis bei žvaigždžių sfera. Paprasčiausiai nustatoma ir ilgą laikąvienintele planetos judėjimo charakteristika buvo jos apsisukimo aplinkSaulę periodas, mūsų lentelėje pavadintas metais T ir pateiktas Žemės metųvienetuose. Atvirkščias periodui dydis ( f=1/T ) vadinamas dažniu.Populiariausias dažnio vienetas yra Hercas, žymimas Hz. Tai dažnis tokiojudėjimo, kai per sekundę įvyksta vienas apsisukimas, arba, kitais žodžiaistariant, kai judėjimo periodas lygus vienai sekundei. Planetų judėjimoperiodai žymiai didesni už sekundę, todėl jų dažniai yra žymiai mažesni užHercą. Muzikinių garsų bei matomos šviesos bangų dažniai yra žymiai užHercą didesni, todėl tiesiogiai jų palyginti negalima, bet paėmę dažniųsantykius šiokią tokią bazę palyginimams galime surasti.Pradėkime nuo muzikos, tuo labiau kad ši lygiagretė siekia toliausiai –Pitagoro laikus. Dviejų paeiliui einančių oktavų ribinių dažnių santykislygus dviems, tai yra sekančios oktavos “do” turi du kartus didesnį dažnį,negu prieš tai einančios “do”. Tas pats turi galioti ir visiems kitiemsgarsams, todėl temperuotoje oktavoje, turinčioje dvylika pustonių,kiekvieno sekančiojo dažnis turi būti 21/12 kartų didesnis už prieš jįeinančiojo, kad pakėlę šį skaičių dvyliktuoju laipsniu (oktavoje viso yradvylika pustonių), gautume dvejetą. Šiek tiek maišaties įneša tai, kadoktavoje tarp “mi” ir “fa” bei “si” ir “do” garsų yra tik pustonis, o tarpvisų kitų – po du pustonius, bet jei atkreipsime į tai dėmesį, dažniųsantykius skaičiuoti bus nesunku.Antroji lygiagretė būtų su šviesa. Matomos šviesos elektromagnetinių bangųdažniai matuojami dešimtimis su daugybe nulių Hercų, todėl pasinaudokimetuo ryšiu, kad f=c/(, kur c yra šviesos greitis, o ( – šviesos bangosilgis, kuris violetinei spalvai lygus 400 nm (nanometrų, tai yramilijardinių metro dalių), raudonai – 700 nm, o visos kitos spalvos telpašiame intervale. Taigi, didžiausio ir mažiausio dažnių santykis šiuo atvejuartimas dviems, panašiai kaip oktavos garsų, kuris tiksliai lygus dviems.Planetų judėjimo dažnių santykius lengva surasti iš 3.1 Lentelės imant jauminėtus T. Vienintelė išimtis yra ta, kad toje lentelėje nėra žvaigždžiųsferos, 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 kiekglaudesnis atitikimas yra tik tarp muzikinių garsų ir spalvų, tačiauplanetų judėjimas, be abejo, nėra toks harmoningas. Tikroji planetųjudėjimo harmonija jau atspindėta 3.1 Lentelės paskutiniajame stulpelyje,tačiau kalbėsime apie tai kiek vėliau.Taigi, planetos skirtingos ir juda gana chaotiškai. Vis tik egzistuoja tarpjų judėjimo ir jungiančiųjų bruožų. Pirmasis yra tas, kad visos jos, o taippat Mėnulis ir Saulė juda nenutoldami nuo taip vadinamų Zodiako žvaigždynų.Dabar mes žinome, kad taip yra todėl, kad visų planetų sukimosi apie Saulęorbitų plokštumos beveik sutampa su Ekliptikos, tai yra Žemės judėjimo apieSaulę plokštuma. Mėnulio judėjimo apie Žemę plokštuma irgi artima jai.Kodėl taip yra, paaiškinti nėra lengva, tačiau jei žiūrėsime į tai kaip įnustatytą faktą, tai jis gali atrodyti gana keistai, vėlgi kaip kažkokiosharmonijos pasireiškimas. Šis faktas astrologų yra “sudvasintas”, jamsuteikta gili “prasmė”. Kiekvieną savaitę, o kartais ir dieną,laikraščiuose spausdinami įvairiausi horoskopai, todėl apeiti šį faktąniekaip jo nepakomentavus būtų tiesiog nepadoru. Taigi, Zodiakožvaigždynai yra tie, į kuriuos projektuojasi Ekliptikos ir kitų planetųjudėjimo plokštumos, išpjaunančios maždaug 16 laipsnių pločio dangaussferos 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 minėtusžvaigždynus, būdama kiekviename jų beveik po mėnesį. Nors žvaigždės,sudarančios žvaigždynus, yra nutolę nuo Žemės įvairiausiais, milžiniškaibesiskiriančiais, atstumais, tačiau jų judėjimas viena kitos atžvilgiu peršimtmečius sunkiai pastebimas, todėl žvaigždynų raštai laikui bėgant beveiknesikeičia. Žvaigždės tiesiog prašyte prašosi sujungiamos į grupes, kuriosbuvo įvairių tautų pavadintos įvairiais vardais pagal panašumą į kokiusnors gyvūnus, daiktus ar reiškinius. Dar babiloniečiai atrado Zodiakojuostą ir suskirstė ją į dvylika žvaigždynų, gali būti, kad tai buvosąlygota Mėnulio fazių periodiškumu, lemiančiu metų paskirstymą į 12mėnesių. Kinai, po to graikai tą darbą padarė iš naujo; galų gale dabarnaudojamės būtent graikų sukurta žvaigždynų sistema. Skirstymas įžvaigždynus, kaip matome, yra grynai subjektyvus veiksmas; be to, dėl Žemėsašies precesijos sistema yra paslanki – pavyzdžiui, mūsų eros pradžiojepavasario lygiadienio taškas buvo Avino, o dabar jis randasi Žuvųžvaigždyne.|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 suatitinkamu Žemės dažniu, tai yra vienetuose 1/Žemės metų. Mėnulio, Saulėsir Žvaigždžių sferos apsisukimo apie Žemę dažniai pateikti tuose pačiuosevienetuose.
Astrologija yra pseudo teorija, teigianti, kad Saulės, Mėnulio ir planetųišsidėstymas Zodiako žvaigždynų juostoje turi įtakos žmonių, tautų irvalstybių likimui ir gamtos reiškiniams. Ši teorija, deja, taip patnetenkina pagrindinių mokslinės teorijos reikalavimų, nes jos išvados neipatikrinamos, nei patvirtinamos pakartotiniais bandymais, o tarp prognoziųir realybės koreliacija nesurasta. Kokią įtaką gali turėti vieno ar kitodangaus kūno padėtis, galima spręsti iš 2.1 Lentelės, kurioje pateiktisantykiai jėgų, kuriomis stovintį ant Žemės žmogų veikia ta ar kitaplaneta.Palyginimui toks jėgų santykis, jei atsistotumėte prie (1 m)3 vandensrezervuaro, būtų lygus maždaug 10-8. Ką tokiu atveju kalbėti apie didelįnamą arba tankiai apgyvendintą rajoną. Taigi, su astrologija aiškiai kažkasne taip. Greičiau tai galėtų būti psichologų studijų objektu, nes matytžmogaus pasamonėje užprogramuotas poreikis tikėti kokia nors pasaka.Grįžkime prie planetų judėjimo. Paprasčiausia yra nustatyti planetosapsisukimo apie Saulę periodą. Tam prireikia nemažai laiko, nes tolimųjųplanetų apsisukimo periodai (metai) yra gana ilgi. Pavyzdžiui, Saturnometai, kaip jau žinome, lygūs maždaug 30 Žemės metų. Be to, reikiaatsižvelgti dar ir į tai, kad Žemė pati juda apie Saulę. Antrasis svarbusparametras, kurio dar nemokame matuoti, yra planetos atstumas nuo Saulės.Dabar žinoma bent keletas būdų jį nustatyti, tačiau pirmas tikslusmatavimas paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC ) idėja, kuriąišsiaiškinsime septintojoje paskaitoje.Išmatavus bent vieną atstumą iki kokios nors planetos, nesunku ganatiksliai nustatyti ir visų kitų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius,nes, kaip matome iš 3.1 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo irapsisukimo periodo kvadrato santykis yra toks pat. Tai yra trečiasisKeplerio dėsnis, atrastas analizuojant Bragės matavimų rezultatus 1618metais. Iš lentelės puikiai matosi, kad Mėnulis ir Charonas nėra Saulėssistemos planetos. Jiems šie santykiai yra visiškai kitokie, nes jie yra neSaulės, o Žemės ir Plutono palydovai. Jei Žemė turėtų antrąjį Mėnulį, jamšis santykis būtų toks pat kaip ir pirmajam. Galilėjus, savo teleskopupastebėjęs keturis Jupiterio palydovus, nustatė, kad visi jie puikiaitenkina šį dėsnį.Kodėl taip yra, paaiškino Niutonas, atrasdamas jums gerai žinomą visuotinėstraukos dėsnį. Prisiminkime. Jėga, kuria masės M kūnas (Saulė) traukiamasės m kūną (planetą) yra
F = GMm/R2 .
Čia G yra gravitacijos konstanta, o R – atstumas tarp jų (Saulės irplanetos) centrų. Kadangi planeta nekrenta tiesiai kaip akmuo į Saulę, ojuda kiekvienu momentu kryptimi, statmena jungiančiai jas tiesei, reiškia,ši jėga yra atsverta atsirandančios dėl judėjimo apskritimu išcentrinėsjėgos, 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 abijėgas, 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 norsplanetos palydovams.Kodėl mūsų lentelėje jis vis tik ne visoms planetoms tiksliai lygusvienetui? Tai lemia keleta faktorių, iš kurių svarbiausia yra tai, kadplanetos 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 Saulėssistemos studijų, bet galioja be išimčių visiems dangaus kūnams, kuriuosiki šiol pavyko stebėti.3.1 Lentelėje yra dar keleta planetų parametrų, kurių matavimo iki šiolnesame aptarę. Pirmiausia tai yra planetos spindulys. Jo radimas visaipaprastas – kadangi planetos orbitos parametrai žinomi, lengvai galimerasti atstumą tarp minimos planetos ir Žemės bet kuriuo momentu, o po topagal jos matomą kampinį dydį surasti diametrą. Planetos parą, tai yraapsisukimo apie savo ašį periodą, galima nustatyti ją stebint. Planetostankį galima surasti, žinant jos masę ir tūrį. Surasti tūrį žinant diametrąvisai nesunku, taigi, lieka paskutinis ir labai įdomus parametras –planetos masė.Žemės masę surasti itin lengva, nes žinomas laisvo kritimo pagreitis antpaviršiaus, kurį galima rasti paprasčiausiai mėtant daiktus. Jei šispagreitis, žymimas g ir apytikriai lygus 980 m/s2, bei gravitacijoskonstanta 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 kitubūdu.Aukščiau jau pateikta formulė, susiejanti planetos, tai yra Saulėspalydovo, orbitos spindulį ir apsisukimo periodą su Saulės mase. Iš šiosišraiškos galime Saulės masę išreikšti per bet kurios planetos orbitosparametrus taip: M =(2()2 R3/G T2 .
Šį sąryšį galima panaudoti ir Žemės masei rasti, kadangi Mėnulis yra jospalydovas, jo orbitos parametrai žinomi, o daugiau nieko ir nereikia.Žinoma keleta rafinuotų metodų kitų planetų masėms rasti, tačiau patspaprasčiausias tas, kurį ką tik išdėstėme, paremtas jos palydovo arbapalydovų orbitų parametrų, kurie nesunkiai matuojami, panaudojimu, taikantpateiktas 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, yrako gero tokios pat senos, kaip žmonija. Pirmoji žinoma knyga šiuo klausimuyra graiko Lucian iš Samosata 160 AD metais skelbta “Vera historia”, kuriosherojus per aštuonias dienas nuvyksta į Mėnulį ir po to bando tęsti kelionęį Olimpą, bet tuo užrūstina Dzeusą, kuris įsako grąžinti keliautoją į Žemę.Žinoma taip pat nemažai vėlesnių fantastinių istorijų, aprašančių kelioneskosmose. Tarp jų autorių buvo tokie žinomi žmonės, kaip Johannes Kepler,Cyrano de Bergerac, Jules Verne, H.G.Wells ir kiti. Arčiausiai tiesospasirodė Arthur C.Clarke tuoj po II Pasaulinio karo publikuotos istorijos,kuriose keleta dešimtmečių prieš praktišką realizavimą gana realistiškaiaprašomos šių kelionių problemos ir pasiekimai. Tarp kitko, jis pirmasisnuspėjo 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 Žemėsatmosferos ribų negali. Atmosfera gi baigiasi labai netoli nuo Žemės, apiejokį skrydį netgi į Mėnulį kalbėti be naujo tipo transporto priemonėsneįmanoma. Tokia transporto priemonė yra raketa. Nuo kulkos raketa skiriasituo, kad judesio kiekį ji įgauna ne stumiama šautuvo vamzdžiu degantparakui, o kaupia jį kelionės metu, nes kurą vežasi su savimi irpalaipsniui jį degina. Nuo motorinės valties ar lėktuvo ji skiriasi tuo,kad trauka raketoje išsivysto ne sukantis propeleriui, kurio sėkmingamdarbui reikalinga materiali ir tanki aplinka – vanduo arba atmosfera, o dėlišmetamų 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, oraketa 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 apie1500 metus kinietis vardu Wan Hoo prie savo palankino liepė pritaisyti 47juodojo parako raketas, kurias 47 tarnai vienu metu ir uždegė. Pasakojimasčia ir baigiasi, nes to Wan Hoo daugiau niekas nėra matęs. Maždaug nuo XVIamžiaus raketos buvo žinomos jau ir Europoje, tačiau kaip ginklai pradėtosnaudoti tik XVIII amžiaus gale, po to kai Indijos išsilaisvinimo kovoseindai jas naudodavo prieš anglus. Pastarieji jas patobulino ir pritaikydavonetgi kariaudami Europoje, pavyzdžiui puldami Boloniją 1806 ir Kopenhagą1807 metais bei batalijose Šiaurės Amerikoje.Teoriniai kelionių kosmose raketomis pagrindai buvo padėti XX amžiauspradžioje ruso K.Ciolkovskio, vokiečio H.Oberth, prancūzo R.Esnault-Pelterie ir amerikiečio R.Goddard pastangomis. Būtent šiose šalyseantrajame – trečiajame dešimtmetyje ir pradėjo vystytis eksperimentai suraketomis ir bandymai jas pritaikyti įvairiose transporto priemonėse.Pirmasis lėktuvas, varomas 16 parako raketų, į orą pakilo ir 75 sekundesskrajojo Vokietijoje 1928 metų birželio 28, tačiau ir šio skrydžioprincipai, ir priemonės buvo labai tolimos nuo naudojamų šiuolaikinėseraketose.Du žmonės, kurių nuopelnai neabejotinai patys didžiausi šioje srityje, yravokietis Wernher von Braun (1912-1977) ir rusas Sergei Koroliov (1907-1966). Abiejų jų likimai dėl laikmečio specifikos, totalitarinių režimų irgalimybės raketas pritaikyti naikinimui susiklostė nelengvai, bet šiežmonės, ir ypatingai pirmasis, yra labiausiai nusipelnę tam, kad žmonijanutiesė kelius į kosmosą.S.Koroliovas nuo 1938 metų Stalino buvo įkalintas ir dirbo lėktuvų beiraketų tyrinėjimo darbus kartu su daugeliu kitų konstruktorių, tokių kaipA. Tupolevas, koncentracijos stovykloje Uralo kalnuose. Tuoj po karo jambuvo pavesta atlikti vokiečių raketų, užgrobtų okupavus Vokietiją,ekspertizę ir jų tobulinimo darbus. Per labai trumpą laiką jis sugebėjosuburti pajėgų kolektyvą ir pasinaudodamas praktiškai neribota valdžiusiostada Sovietų Sąjungą klikos parama sukurti ir paleisti 1957 rugpjūtįpirmąją tarpkontinentinę balistinę raketą, o mažiau kaip po dviejų mėnesių– 1957 spalio 4 – ir pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą. Šaltojo karo metaissupervalstybių varžybos šioje srityje buvo viena svarbiausių jų prestižokomponenčių, todėl itin skatinant šiuos tyrimus, Koroliovo konstruktoriųbiuras ilgai pirmavo lenktynėse. 1961 balandžio 12 į kosmosą nuskridopirmasis 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 skrydžiometu į erdvę. Vystėsi ir nepilotuojamų skrydžių technika. 1959 Luna 2 irLuna 3 apskrido Mėnulį ir pirmą kartą nufotografavo jo nematomąją iš Žemėspusę. Apie 1960 S. Koroliovui buvo iškeltas uždavinys sukurti kosminįlaivą, galintį nugabenti į Mėnulį žmones. Jo sukurtas šiam tikslui kosminislaivas Sojuz ilgą laiką buvo naudojamas gabenant kosmonautus ir krovinius įdabar jau nebeegzistuojančią kosminę stotį “Mir”. Praktiškai visą gyvenimąšio žmogaus vardas buvo kruopščiausiai slepiamas. Jis buvo vadinamas“Vyriausiuoju konstruktoriumi”, niekas negalėjo jo nei filmuoti, neifotografuoti. Tik po mirties 1966 metais, laidotuvių metu, pasaulis galųgale išgirdo šią nieko nesakančią pavardę.W. von Braun nuo 1932 metų dirbo jau minėto H. Oberth laboratorijoje prieBerlyno, kūrusioje karo ginklus ir raketas. Pirmoji raketa, sukurta patiesW. von Braun grupės, buvo žymima A1, antroji – A2 ir taip toliau. Karo metušiam darbui Hitlerio režimas pradėjo skirti nemažą dėmesį, W. von BraunuiPeenemuende vietovėje šiaurės rytų Vokietijoje buvo pastatyta specialilaboratorija. Žinomiausia tais metais jo sukurtų raketų yra A4, kuriVokiečių propagandos ministerijos buvo pavadinta Keršto ginklu V2(Vengeance Weapon). Naudojant koncentracijos stovyklų kalinių darbą, buvopagaminti tūkstančiai šių raketų, kurios buvo naudojamos ir kaip teroroginklas, tai yra griovimams ir civilių žudynėms.Pav. 5.1. Vokiečių raketa V2, vienas iš pačių galingiausių AntrojoPasaulinio karo ginklų.Raketa, sukurta 1942, svėrė apie 13 tonų, galėjo gabenti apie 900 kgsprogmenų, pasiekdavo iki 80 km aukštį ir nuskriedavo atstumą, artimą 300km. Tais laikais tai buvo fantastiški parametrai. W. von Braun domėjimasisšių raketų pritaikymu ne tik karui, bet ir kosminiams skrydžiams nelikonacių nepastebėtas. Už tariamą sabotažą ir nepakankamą dėmesį raketų kaipginklo tobulinimui agonijoje esantis režimas dvi savaitės iki galutiniožlugimo netgi areštavo jį ir dar keletą bendraminčių. 1945 staigus Vakarųsąjungininkų pajėgų puolimas leido jiems užimti Peenemuende ir išlaisvintikonstruktorius. Pats W. von Braun ir apie 120 jo geriausių inžinieriųgreitai pasirašė kontraktus su JAV Armija, susikrovė beveik visas likusiasraketas, ir buvo išvežti į JAV, nes po kelių dienų pagal susitarimą tąvietovę okupavo Sovietų armija. Rusai, užėmę miestelį, elgėsi sau būdingamaniera ir žymiai rafinuočiau. Esu daugiau kaip prieš dešimtmetį matęs BBCfilmą, tada slaptai atvežtą į Sovietų Sąjungą, kuriame buvo užfiksuotilikusių gyvų tų įvykių dalyvių prisiminimai. Taip ir nesupratau, kamleidus, o gal ir savo rizika, nes neužilgo jis pasimirė, akademikasG.Flerovas, išgarsinęs Sovietų Sąjungą ne tik dalyvaudamas kolektyve,kūrusiame branduolines bombas, bet ir jau vėliau savo laboratorijojepirmasis pasaulyje surasdamas ir identifikuodamas supersunkiųjų labaitrumpai gyvuojančių branduolių izotopus, pakvietė mus, nedidelį ratą savobendradarbių ir svečių vieną vakarą po konferencijos Branduolinių tyrimųlaboratorijoje Dubnos mieste netoli Maskvos pasižiūrėti šį filmą. Filmebuvo rodomi dokumentiniai kadrai ir keletos vokiečių šeimų komentarai.Rusai, užėmę miestą, paskyrė komendantą, kuris, tuoj pat suregistravęs jogyventojus, dirbusius raketų gamykloje, pakvietė juos pas save į priėmimą.Tokio kokybiško maisto ir tiek degtinės karo trūkumų išvarginti vokiečiaibuvo seniai neregėję, todėl smagiai praleidę vakarą ir iki sotiespasišnekėję su svetingais šeimininkais, ramiai sumigo savo namuose. Vidurįnakties jie visi su šeimomis, apie 300 žmonių, buvo pakelti iš lovų,susodinti į vagonus ir išvežti į Uralą. Kareiviai gi iki varžto išardė dviar tris likusias ne visai baigtas statyti ir neišvežtas amerikiečių V2 irpervežė ten pat. Žmonės neturėjo kitos išeities, kaip tik atstatyti šiasraketas. Nežinia, kaip būtų jiems baigęsi, bet po Stalino mirtiesbesiveržiantis į valdžią KGB šefas Berija juos už sėkmingai atliktą darbąne sušaudė, o kažkodėl tai paleido atgal į Vokietiją. Matyt, KGB jie buvotiek prigąsdinti, kad išdrįso papasakoti šiuos savo nuotykius tik podaugelio dešimtmečių, atėjus į valdžią Gorbačiovui ir pasibaigus šaltojokaro košmarams. Ši istorija, aišku, buvo gerai ir seniai žinoma tam pačiamG. Flerovui, filmo jis niekaip nekomentavo, nors šiaip buvo labai kalbusžmogus, pasižymintis labai geru jumoro jausmu. Aišku, ji buvo nemažassmūgis 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 nuorusų pirmajame kosminių lenktynių etape galima paaiškinti tik tuo, kadrusai, nors būdami protingi ir labai kvalifikuoti specialistai, kuriemsirgi labai rūpėjo naujovės, režimo buvo verčiami kuo greičiau duotirezultatą, gi W.von Braun galėjo leisti sau Amerikoje iš esmės patobulintiminėtą savo kūrinį. Tai atėmė kiek daugiau lėšų ir laiko, bet ilgainiuiužtikrino visišką šios technikos pranašumą, ką dabar ir matome. Saturno Vraketa, nugabenusi žmones į Mėnulį, buvo šio konstruktoriaus pasiekimųviršūnė, pakeitusi visą kosminių skrydžių istoriją. Šiuolaikinės raketosyra, 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, reikiadar daug ko ir pirmiausia – to keleivio (keleivių) gyvenimą ir darbąpalaikančios sistemos, kuri ir yra kosminis laivas. Kosminė erdvė yravisiškai nepalanki gyvybei. Joje yra tik labai nedaug vandenilio atomų arbamolekulių, todėl ne tik maistą, bet netgi ir orą kvėpavimui tenka vežtis susavimi. Antra, būnant orbitoje arba toliau nuo Žemės visai kompensuojasiarba labai sumažėja jos trauka. Organizmas gi pripratęs prie Žemės traukos,todėl tenka laive, ypač jei skridimas tęsiasi ilgai, įrengti ir kažkokiątai sistemą, imituojančią trauką, kad nesiatrofuotų kai kurie organai.Trečia, kaip žinome, kosmoso temperatūra artima absoliučiam nuliui, todėlobjektai, koks yra ir kosminis laivas, neapšviesti Saulės, greitai atvėsta.Išnirus palydovui iš Žemės šešėlio, Saulė minučių bėgyje jį gali įšildytiiki pražūtingų temperatūrų, taigi, reikalinga dar ir kažkokia temperatūrosreguliavimo sistema. Ketvirta, kosminiai laivai, nutolę nuo Saulės,nebegauna pakankamai jos energijos netgi kompiuterių ir komunikacijosprietaisų maitinimui, todėl pastaruoju metu į juos dedami miniatiūriniaibranduoliniai reaktoriai. Prieš tokią praktiką pasisako žalieji, gal jau irmatėte spaudoje panašias žinutes. Jų argumentacija gana įtikinanti – jeitokios raketos paleidimas nebūtų sėkmingas ir ją prie pat Žemės ištiktųavarija, radioaktyvus užteršimas gali būti gana pavojingas.Galų gale, išskridus kosminiam laivui už atmosferos ribų, niekas nesulaikopražūtingų trumpabangių spindulių ir kosminiuose spinduliuose esančiųdidelių energijų dalelių. Reikia saugotis ir jų, o taip pat skrajojančiųerdvėje nedidelių makroskopinių kūnų, kurie nukritę į Žemę žinomi kaipmeteoritai. Be to, Saulė ir kiti dangaus kūnai turi stiprius magnetiniuslaukus, jie gali sugadinti prietaisus, reikia atkreipti dėmesį dar ir įtai. Visos išvardintos priemonės daro kosminį skrydį labai brangia ir ganapavojinga operacija.Didžiausia žinoma katastrofa, susijusi su kosmoso tyrimų technika, įvykoBaikonure, rusų kosmodrome Kazachijos teritorijoje 1960 metų spalio 24dieną, pusę valandos prieš paleidimą, kai personalas dar nebuvo saugiojevietoje. Dėl klaidingos komandos užsidegė tarpkontinentinės raektos antrojipakopa. Gaisro, kuris tęsėsi apie 2 valandas, metu žuvo 92 žmonės, tarp jų– rusų maršalas, strateginės ginkluotės vadas M. Nedelinas. Dar ir po šiaidienai spalio 24 iš Rusijos nėra pakilusi jokia raketa. Neišsiskleidusparašiutui po nesėkmingo paleidimo grįžtant į Žemę, 1967 užsimušė rusųkosmonautas, 1971 grįžtant iš orbitos dėl kabinos išhermetinimo užtroškotrys rusų kosmonautai, 1986 pakilimo metu sprogo JAV kosminis laivas –švytuoklė Challenger, žuvo visi septyni įgulos nariai. 2003 metų vasariopirmąją, grįždamas iš orbitos, avariją patyrė erdvėlaivis Columbia, vėlžuvo visi septyni kosmonautai. Daug skrydžių, panašiai kaip Apolo XIIIskrydis į Mėnulį, nesibaigė tragiškai tik per stebuklą, nes įgula buvoišgelbėta 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 90-95procentus jos masės sudaro kuras, atidirbusios pakopos paprasčiausiainumetamos dar atmosferoje, įvykus kad ir mažiausiai avarijai paleidimo metujos kelia didelį pavojų aplinkiniams dideliame plote. Rusų raketos,leidžiamos iš Baikonūro kosmodromo Kazachstane yra taip užteršę didelįregioną, kad gyvenimas ten jau labai pavojingas, jei iš viso įmanomas. Dėlšios priežasties Kazachstano valdžia reikalauja vis didesnių kompensacijųir kosmodromo eksploatacija gali iš viso nutrūkti.Kad įspūdis apie kosminių skrydžių mastus būtų kuo pilnesnis, galiupaminėti, kad didžiausia kada nors paleista iš Žemės raketa yra jau minėtaSaturn V. Jos ilgis 111 metrų, pati sistema sveria 3.4 milijono kg, o jospirmoji pakopa – apie 2.3 milijono kg. Ši pastaroji, pilnai sudegusi per 2minutes ir 40 sekundžių, pakelia laivą į 66 km aukštį. Vienam paleidimoliudininkui susidarė įspūdis, kad paleidimo metu ne tik Saturnas V pakilo,bet ir žemyn pajudėjo visas Kanaveralo iškyšulys Floridoje, kur yraJ.F.Kenedžio kosmodromas. Antroji pakopa pakelia laivą į 193 km aukštį,suteikia jam 27 350 km/val greitį ir išveda į Žemės orbitą. Trečiojipakopa, pasiunčianti jį į trajektoriją Mėnulio link galų gale suteikialaivui 39 110 km/val greitį.Visus kosminius skrydžius galima tarsi suskirstyti į kelias grupes.Pirmiausia tai yra nepilotuojami skrydžiai, skirti paleisti kokį norspalydovą su ryšių ar stebėjimo įranga. Tai gana paprastas skrydis, kuriotechnika gerai išstudijuota. Tokio tipo laivus dabar jau pradeda leistinetgi valstybės, tokios kaip Prancūzija, Kinija ar Indija, neturinčioselitinių šioje srityje statuso. Galų gale, jei kokia valstybė ar stambikompanija pasigamina kokį objektą, kurį nori patalpinti pageidaujamojeorbitoje, ji gali paprasčiausiai užmokėti už paslaugą specialistams raketapakeliant tą palydovą į orbitą. Stambiausias toks palydovas šiuo metu yratarptautinė Kosminė Stotis, skriejanti orbita apie Žemę, kurios didžiausiasatstumas yra 406, o mažiausias – 382 kilometrai. Ji apskrieja Žemę maždaugper pusantros valandos. Ši stotis reikalauja nuolatinės priežiūros, nes kasparą jos orbitos atstumas nuo Žemės sumažėja apie 200 metrų, ir reguliariaiją tenka pakelti į aukštesnę orbitą, nes nusileidus jai žemiau tosminimalios ribos kritimo procesas tampa sunkiai koreguojamas.Pav. 5.6. Tarptautinė Kosminė Stotis orbitoje.Antroji palydovų rūšis – zondai su tyrinėjimo aparatūra, skirtatolimesniems nei Žemė objektams tyrinėti. Jiems reikia suteikti didesnįgreitį, kad jie taptų nebe Žemės, o Saulės palydovais. Reikalingagalingesnė raketa ir subtilesnė įranga. Kaip minėta, tokie laivai galiturėti rafinuotesnius energijos šaltinius ir įvairiausių prietaisų vienamar kitam Saulės sistemos objektui tyrinėti. Tokiu atveju pirmosios raketospakopos (pakopa) pakelia šį objektą į orbitą apie Žemę, ir tik po tosekanti pakopa suteikia jam greitį, reikiamą atsiplėšti nuo Žemės. Jeinumatoma labai ilga kelionė, palydovas paleidžiamas tarsi į kitą, neireikia, pusę, kad Saulės apskriejimas jį dar labiau pagreitintų, otrajektorija dar priedo eitų netoli kitų planetų, kas taip pat dar tągreitį padidina. Tokiu būdu, nors ir prarandama kiek laiko, sutaupomospaleidimo lėšos. Labiausiai nutolę šiuo metu nuo Žemės raketos yra Pioneer10 ir Pioneer 11, paleistos 1972 ir 1973 metais. 1983 metais pirmasis jųkirto Plutono orbitą ir būdamas apie 10 milijardų km atstume, jau ruošiasiišskristi už Saulės sistemos ribų. Su juo dar neseniai buvo palaikomasšioks toks ryšys, nors signalai ir labai silpni, o jų kelionė į Žemę judantšviesos greičiu tęsiasi dešimtis valandų. 1977 metais paleisti Voyager 1 irVoyager 2 taip pat ruošiasi palikti Saulės sistemą. Visi šie laivai vežaplokštes su vaizdais, audio ir video įrašais, informuojančiais apie Žemę irjos 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 projektųnerealizuota. Artimiausia kelionė būtų į Marsą, tačiau ji užima labai dauglaiko, reikalauja žymiai didesnių sąnaudų kosmonautų gyvybingumoužtikrinimui ir sėkmingam grįžimui, todėl nors ir buvo entuziastingaiplanuota, kol kas neįvyko ir nežinia kada įvyks. Labai pesimistiškainuteikia 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, kaipankstesniais metais. Kiek vilties įžiebia tai, kad stiprios finansiškaivalstybės, tokios kaip Europos Sąjunga ar Japonija, kuo toliau, tuo mažiaulinkę taikstytis su JAV hegemonija šioje srityje, ir ateityje gali sudarytijoms tokią pageidaujamą konkurenciją ir vėl sukeltisveiką 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, galimapakalbėti apie jos susidarymo hipotezes. Pirmasis, pabandęs kaip norsaiškinti Saulės sistemos atsiradimą, buvo prancūzų matematikas ir filosofasR. Descartes, kuris 1644 paskelbė, kad ji susidarė iš gigantiško kažkokiotai “universalaus skysčio” sūkurio, ir kiekviena planeta yra tarsi atskirasmažesnis sūkurėlis. Ši teorija yra labai primityvi, ji šiek tiek derinasitik su heliocentrinės sistemos idėja ir faktu, kad visos planetos orbitomisjuda į tą pačią pusę. Nežiūrint šių trūkumų, ši teorija laikoma pirmąja iševoliucinių Saulės sistemos kilmės teorijų. Bendras tokių teorijų bruožasyra tas, kad planetos atsiranda gimstant centrinei žvaigždei be jokiųypatingų apribojimų ar sąlygų. Jos leidžia egzistuoti planetų sistemoms irdaugelio kitų žvaigždžių aplinkoje, kadangi jų požiūriu tai yra natūralusreiškinys.Šią idėją vėliau vystė I. Kant, kuris, jau remdamasis Niutono mechanikosprincipais, 1755 teigė, kad besisukantis dujų debesis gali evoliucionuoti įdiską, panašų į Saturno žiedų sistemą. Mintį 1796 pratęsė prancūzųmatematikas P. S. de Laplace, kuris įrodė, kad toks debesis gali suskilti įžiedus, iš kurių ilgainiui kondensuojasi planetos.Pav. 6.1. Diskas su sūkuriais.Šios evoliucinės kilmės teorijos turėjo tą trūkumą, kad negalėjopaaiškinti, kur dingo didžiulis judesio kiekio momentas, sukauptas tamedebesyje. Jei viskas būtų vykę pagal šį scenarijų, Saulė dar ir šiuo metuturėtų turėti žymiai didesnį judesio kiekio momentą. Dabar gi jos sukimasislėtas, ir todėl ši hipotezė nesiderina su tvermės dėsniu, kuris tokiemsdideliems judesio kiekio momentams taip paprastai pražūti neleidžia.Prisiminkite dažnai matytą vaizdą, kai ištiesęs į šonus rankas čiuožėjasįsisuka, o po to pritraukia rankas prie kūno. Kampinis jo sukimosi greitistokiu atveju staiga padidėja, ir tai įvyksta dėl minėto judesio kiekiomomento tvermės dėsnio, kuris reikalauja, kad kompaktiškiau paskirstytamasė suktūsi didesniu kampiniu greičiu. Panašiai ir Saulė, kuriojesukoncentruota 99.85 procento, tai yra beveik visa sistemos masė, bylojaapie debesies, iš kurio ji ir sistema turėtų būti susidarę, istoriją. Jeigučiuožėjas gana greitai po tokios operacijos sustoja, tai tik todėl, kad jįveikia trinties jėgos, kurios Saulei neaktualios. Taigi, ji sukasi perlėtai, tuo kompromituodama šias pirmąsias evoliucines jos kilmės teorijas.Kita teorijų grupė buvo paremta katastrofos įvaizdžiu. Buvo teigiama, kadsusiformavusi ir evoliucionavusi įprastiniu būdu Saulė patyrė kokią taikatastrofą, po kurios ir susiformavo planetos. Pirmasis apie tai prabilotoks G. L. de Buffon, kuris dar 1745 teigė, kad planetos galėjo susidarytipraskrendant netoli Saulės kokiam tai masyviam kūnui, gal panašiam įkometą, bet daug didesniam. Dėl šio kūno sąveikos su Saule iš jos galėjobūti išplėštas dujų debesis, iš kurio vėliau ir susidarė planetos. Ši idėjabuvo užmiršta iki dvidešimtojo amžiaus pradžios, kai problemos su lėtuSaulės sukimusi privertė ieškoti alternatyvių evoliucinėms Saulės sistemossusidarymo teorijų. Kiek patobulinus pradinę idėją, buvo teigiama, kadpraskristi šalia Saulės galėjo kita žvaigždė, o medžiaga iš jos vidausgalėjo būti išplėšta veikiant jėgoms, panašioms į tas, kurioms veikiantMėnulis Žemėje sukelia potvynius.Silpnoji tokių teorijų vieta yra tame, kad toje Galaktikos vietoje, kuriojemes dabar esame, žvaigždės išsidėstę retai ir tokio įvykio tikimybė labaimaža.Gelbėti padėtį galima pasiūlius kitą scenarijų, pagal kurį Saulė susidarėkaip trijų žvaigždžių sistemos narys. Besivystydama tokia sistema galėjosuskilti į atskiras žvaigždes, ilgainiui nutolusias viena nuo kitos. Būtentjų išsiskyrimo momentu ir galėjo būti išplėšta medžiaga, iš kurios susidarėplanetos. Tokia teorija lengvai paaiškina lėtą Saulės sukimąsi, betatsiranda kitų problemų. Skaičiavimai parodė, kad medžiaga, išplėšta išSaulės dėl labai aukštos temperatūros linkusi greičiau išplisti irišsiskirstyti erdvėje, negu kondensuotis į planetas. Be to, pesimistiškainuteikia deuterio gausa planetose ir tarpplanetinėje erdvėje. Tai yradidelė šios teorijos problema, nes deuterio, kuris sunkiajame vandenyjepakeičia vandenilį, dėl vykstančių joje termobranduolinių reakcijųspecifikos (tai galima lengvai suprasti pažvelgus į Pav. 10.2) beveik visainėra Saulėje ir taip pat neturėtų būti bet kuriame darinyje, pagimdytame išSaulės medžiagos.Dar viena, taip vadinama akrecijos teorija gimė 1940 metais. Jos autoriaibuvo rusas O. J. Šmidt ir švedas H. Alfven. Jie išnagrinėjo hipotezę,paremtą tuo, kad susiformavus Saulei jos gravitacinis laukas pritraukėmateriją iš kaimyninių tarpžvaigždinės erdvės sričių, o susidariusiamediske, kaip parodė C.F. von Weiczäcker, dėl įvairių dalių skirtingosukimosi greičio gali susiformuoti besisukantys medžiagos gabalai, linkętolti vienas nuo kito ir vėsdami sudaryti sferinius kūnus – planetas.C.F.von Weiszäcker netgi išnagrinėjo, kaip tokių darinių dydis priklausonuo atstumo nuo Saulės. Nemažai kitų tyrinėtojų, modeliavusių šį procesą,patvirtino hipotezę. Pasirodė, kad tikimybė tokiems dariniamsbesisukančiame diske susiformuoti yra pakankamai didelė, kad toks procesasgalėtų vykti.Problemos sprendimas įgavo realius kontūrus tik 1960 metais, kai atradusSaulės vėją paaiškėjo, kad ji galėjo prarasti savo judesio kiekio momentądėl nuolatinio dalelių spinduliavimo ir magnetinio lauko, kuris sukantisSaulei irgi sukasi ir traukia paskui save šias daleles, o tai labai stabdosukimąsi, kuris gali efektingai lėtėti panašiai kaip dėl trinties į ledąsulėtėja čiuožėjo sukimasis. Tai reabilituoja evoliucines teorijas, todėlgalutinis, nusistovėjęs šiuo metu ir labiausiai įtikėtinas Saulės sistemosatsiradimo būdas turi daug minėtų evoliucinių teorijų elementų.Šiuolaikinė planetų sistemų formavimosi teorija paremta hipoteze, kadplanetų formavimasis neatsiejamas nuo pačios žvaigždės formavimosi proceso.Kaip formuojasi pačios žvaigždės, galima netgi stebėti gerais teleskopaisir šiuo metu. Įtikėtina, kad Saulė susiformavo iš standartiniotarpžvaigždinės medžiagos debesies, sudaryto iš vandenilio ( 73% ), helio (25% ) ir kai kurių kitų elementų dujų bei dulkių mišinio. Tokio debesiestankis yra tarp 10 ir 100 atomų į kubinį centimetrą. Tai yra labai mažai,netgi palyginus su Žemės atmosferos tankiu, kuris siekia 1019 molekulių įkubinį centimetrą. Toks debesis galėtų būti išplitęs dešimčių šviesos metųmatmenų srityje. Atsitiktinis sutankėjimas arba kokia išorinė perturbacijatokiose dujose gali būti pakankami sukelti gravitacines jėgas,įtraukiančias į šią sritį aplinkinę medžiagą. Nuo nuolatinio visintensyvėjančio materijos pritekėjimo centre gali susiformuoti sritis,kurios tankis ir temperatūra nuolatos auga. Auga taip pat jos magnetiniolauko stipris ir sukimosi kampinis greitis, nes dėl jau minėto judesiokiekio momento tvermės dėsnio debesies momentas niekur išnykti negali. Dėlšių priežasčių kolapso centro temperatūra išauga tiek, kad jame prasidedabranduolinės reakcijos, ir užsidega nauja žvaigždė. Kaip minėta, tokieprocesai yra stebimi ir dabar kai kuriose Galaktikos vietose, todėl tokiagalimybė susiformuoti Saulei yra labai tikėtina.Kaip tokio debesies viduje įsižiebus žvaigždei atsiranda planetos, yražinoma kiek mažiau dar ir paprasčiausiai dėl tos priežasties, kad stebėtitokį procesą kokios nors kitos žvaigždės aplinkoje kol kas neįmanoma, irgalime vadovautis tik vieno galutinio produkto – jau susiformavusios Saulėssistemos – stebėjimais. Skaičiavimai rodo, kad toks debesis dėl žvaigždėssukimosi, jos magnetinio lauko poveikio ir kitų efektų turi persitvarkyti įgana tankų plokščią diską, panašų į kai kurių planetų diskus. Jo išorinėssritys lieka pakankamai atvėsę, nes jose žvaigždės formavimosi efektainepasireiškia. Toliau evoliucionuojant šiam diskui, pradeda atsirastistambesni dariniai, vadinami planetoidais. Jos susidaro nuolatossusiduriant disko dalelėms. Kadangi santykiniai tų dalelių greičiai (lygūsapytikriai 10 km/s) yra ne tokie dideli, kad susiduriančios dalelės sudužtųir išsilakstytų, bet pakankami, kad susidūrimo metu jos suliptų,stambesniųjų darinių formavimosi procesas vyksta labai intensyviai,efektingai ir greitai. Paskaičiuota, kad gana stambūs planetoidai susidaroiš debesies per keletą tūkstančių metų.Pav. 6.2. Susiformavęs planetarinis diskas.Jų sukimosi kryptis turi sutapti su debesies sukimosi kryptimi, kas irstebima Saulės sistemoje. Nedidelės išimtys, tokios kaip Venera ir Uranas,galėjo atsirasti dviems planetoidams susidūrus ne kaktomuša, o judant priešsusidūrimą kiek skirtingomis kryptimis. Akivaizdu, kad minėtas debesisnegalėjo būti nei labai homogeniškas, nei labai izotropiškas. Dėl šiųpriežasčių, o taip pat dėl įvairaus nuotolio nuo Saulės, susidariusiųplanetų savybės yra tokios skirtingos. Manoma, kad Mėnulis atsiradosusidūrus 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 yrane taip jau reti ir šiais laikais. Prieš keletą metų, pavyzdžiui, stebėtasŠumeikerio – Levi kometos susidūrimas su Jupiteriu, planetose ir jųpalydovuose matosi daugybė kraterių. Identifikuota nemažai katastrofųliekanų ir Žemėje, nors jos atmosfera, tekantis paviršiumi vanduo,apledėjimai ir žmogaus veikla ardo buvusius kraterius ir juos maskuoja. Vistik galima drąsiai teigti, kad kai kurie gigantiški dariniai yra buvusiųkatastrofų liekanos. Pirmiausia tai galėtų būti didelė įduba po Antarktida,beveik 300 km diametro krateris Indijos vandenyne, 140 km diametro įdubaKanadoje, ne mažiau kaip trys 100 km diametro krateriai Pietų Afrikoje irAmerikoje bei daugelis mažesnių. Vėstant pagimdžiusiam Saulę ir planetasdebesiui ši veikla silpsta, globalinių katastrofų tikimybė mažėja, tačiaunuliui ji niekada nebus lygi.Manoma, kad toks planetų sistemų formavimosi mechanizmas buvo ir yra labaipopuliarus Visatoje ir plačiausiai vyksta netgi šiuo metu. Stebimosžvaigždės su besiformuojančiu arba jau susiformavusiu priešplanetiniudisku. Spaudoje nuolatos pasirodo pranešimai, kad planetų sistemosaptinkamos beveik visose palyginti netolimose žvaigždėse, nutolusiose nuoŽemės atstumais, kuriuose tas sistemas dar galima aptikti.Išdėstytas planetų susidarymo scenarijus neprieštarauja stebimoms Saulėssistemos savybėms ir, jei kur nors netikslus, tai tik detalėse, kurios yranuolatos patikslinamos.Kas likę šiuo metu iš to debesies, kame juda planetos, kas yra tas Saulėsvėjas – štai klausimai, kuriuos mums leika išsiaiškinti prieš baigiantpokalbį apie Saulės sistemą.Šiuo metu iš debesies belikę tik liekanos, kurių tankis ne didesnis kaip 1atomas į kubinį centimetrą (tai yra toks vakuumas, apie kurį fizikai Žemėslaboratorijose gali tik svajoti), bet tarpplanetinė erdvė buvusio diskosrityje ir jos aplinkoje, tai yra netoli Ekliptikos plokštumos, yraprisipildžiusi dulkių, susidariusių įvairių skraidančių objektų susidūrimųir irimo procese. Šių dulkių dalelių charakteringos matmenys sudaro apievieną mikroną, jos gali būti netiesiogiai stebimos sklindant per dulkesSaulės šviesai, nes tokioje dispersinėje aplinkoje ji yra efektingaisklaidoma. Vienas tokių reiškinių yra Zodiako šviesa. Ji matoma kaipsilpnas nakties dangaus švytėjimas tose Zodiako juostos srityse, kurios yraapie Saulę, todėl gali būti stebimas vakaruose Saulei nusileidus ir rytuoseprieš jai patekant. Palankiausias stebėjimo laikas – maždaug valanda posaulėlydžio ir tiek pat – prieš saulėtekį. Priešingoje Saulei dangaussrityje tuo pat metu gali būti pastebimas vėlgi kiek didesnis skaistis.Tai yra taip vadinama atošvaistė. Geriausiai šie reiškiniai matomi Žemėsatogražų juostoje. Šios dulkės ne tik taip gražiai atspindi Saulės šviesą;jos nuolatos krenta į Žemę, kasdien pridėdamos prie jos masės apieaštuonias tonas.Yra dar ir kitokios prigimties dujų, užpildančių visą tarpžvaigždinę erdvę.Šios dujos dėl Saulės judėjimo orbita apie Galaktikos centrą juda mūsųatžvilgiu maždaug 20 km/s greičiu. Tai yra fiksuota ir stebima nuo 1970
metų pagal sudarančių šias dujas vandenilio ir helio atomų ultravioletinįspinduliavimą.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 irnuolatos iš jos išlekiančios į visas puses. Dėl šio spinduliavimo Saulėsmasė kasmet sumažėja apie 1013 tonų. Saulės judesio kiekio momentas mažėjabūtent dėl to, kad jos magnetinis laukas suka šias daleles ratu ir tuopačiu sukelia sukimosi energijos, o tuo pačiu ir kampinio greičiosumažėjimą. 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 galipasiekti netgi 800 – 900 km per sekundę reikšmes. Daug galima kalbėti apiejo prigimtį ir savybes. Paminėsiu tik, kad jis pasireiškia nulenkdamaskometų uodegas nuo Saulės ir sukeldamos polines pašvaistes, tai yraaukštutinių atmosferos dalių švytėjimą. Taip atsitinka dėl Saulės vėjodalelių susidūrimų su atmosferos dujų atomais ir molekulėmis. Pašvaistėsšvyti 80-300 km aukštyje, todėl didelio Saulės aktyvumo laikotarpiais galibūti matomos ne tik polių srityse, bet ir vidutinėse platumose, tai yrataip pat ir Lietuvoje.Pav. 6.6. Pašvaistė.Taigi, pati Saulė, o ir jos sistema, palaipsniui bręsta, rimsta, susiguliir sensta. Planetos ir kiti kūnai jau yra pilnai susiformavę, visokiųsistemos objektų susidūrimai darosi vis retesni ir retesni, taigi irgyvenimas Žemėje tampa vis saugesnis ir saugesnis. Gana patikimiįvertinimai rodo, kad Saulėje tokios kaip dabar termobranduolinės reakcijosvyks dar kokius penkis milijardus metų, tai yra maždaug tiek pat laiko,kiek yra praėję nuo jos gimimo. To laiko turėtų visai pakakti gyvybei, jeiji vis dar čia bus, taip išsivystyti, kad ir ši paskutinė katastrofa turėtųnesukelti 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 buvosukauptos?
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 tarpMėnulio ir Saulės ir jos šešėlis užkloja Mėnulį. Stebint šiuos užtemimus,šešėlio kraštas, slenkantis Mėnulio paviršiumi, visada būdavo apvalus. JeiŽemė būtų paplokščia, šešėlis dažniausiai turėtų atrodyti kaip ištęstaselipsis. Antra, stebint nuo kranto atplaukiantį laivą, iš pradžių pasirodojo burės, po to stiebai, ir tik po to pats laivas. Galų gale, graikai daugplaukiojo jūromis ir buvo pastebėję, kad Šiaurinė žvaigždė, plaukiant tolynį pietus, leidžiasi žemyn, tai yra artėja prie horizonto. Kaip nesunkiaigalime suprasti, šis reiškinys irgi byloja apie Žemės sferiškumą.Pagal kampo, kuriuo matoma Šiaurinė žvaigždė, pasikeitimą Aristotelisįvertino Žemės spindulį. Rezultatas tik apie 60 procentų viršijo tikslų,žinomą šiuo metu. Tiksliau (10-20 procentų tikslumu) Žemės spindulįpaskaičiavo Eratostenas (276-195 BC). Senoje (Egipto mieste, kuris šiuometu yra apsemtas vandens pastačius Asuano užtvanką) jis pastebėjo, kadkeletą dienų metuose Saulės spinduliai pilnai apšviečia vieno gilausšulinio dugną. Atsitiktinai būdamas kitais metais Aleksandrijoje, uosteprie Viduržemio jūros, jis pastebėjo, kad ten buvęs aukštas stulpas tuopačiu metu turi pakankamai pastebimą šešėlį. Jei Žemė būtų plokščia, jobūti neturėtų. Pagal žinomą stulpo aukštį ir jo šešėlio ilgį (kampas buvomaždaug lygus 7.2 laipsniams, tai yra maždaug 1/50 nuo 360 laipsnių) galimanesunkiai suskaičiuoti Žemės pusiaujo apskritimo ilgį, o padalinę jį iš 2(,surasti ir Žemės spindulį. Čia remiamasi tuo akivaizdžiu faktu, kad Saulėyra pakankamai toli, ir jos spinduliai yra praktiškai lygiagretūs abiejuosemiestuose, nutolusiuose vienas nuo kito apie 800 kilometrų (50 x 800 km=40000 km).Pav. 7.1. Eratosteno samprotavimų schema.Žinodami Žemės spindulį ir tai, kad ji pilną apsisukimą apie savo ašįpadaro per vieną parą, galime nesunkiai paskaičiuoti jos paviršiaus taškųjudėjimo greitį. Tas greitis, kaip prisimename, pasirodo gana didelis, betjo sukeliama išcentrinė jėga pasirodo labai nedidelė palyginus su jėga,kuria kūnus traukia Žemė, neleisdama jiems paprasčiausiai nuskristi įerdvę. Jei planetos masė būtų daug mažesnė, o para – trumpesnė, šissukimasis sukeltų visokių problemų.Arčiausiai Žemės skrieja Mėnulis, taigi pirmiausia reikia pabandytiišsiaiškinti, kokio dydžio ir kaip toli jis yra nuo Žemės. Pasirodo, iršiuos parametrus galima išmatuoti bei suskaičiuoti nesinaudojant beveikjokia aparatūra.Žinodami Žemės paviršiaus taškų judėjimo greitį, galime nesunkiai nustatytiMėnulio judėjimo orbitoje greitį, nes virš galvos visada yra praktiškainejudančios žvaigždės, šviesa iš kurių į Žemę dėl didelio nuotolio krentabeveik lygiagretėmis tiesėmis. Belieka tik dviems stebėtojams suderintilaikrodžius, susitarti, kokios žvaigždės atžvilgiu bus fiksuojamas Mėnuliojudėjimas, ir pasiruošti stebėjimui dviejuose taškuose, nutolusiuoseišilgai lygiagretės vienas nuo kito atstumu s. Pradedant šį matavimą reikiaprisiminti, kad Mėnulis, kaip dauguma Saulės sistemos kūnų, juda, stebintiš Žemės šiaurinio pusrutulio pusės, prieš laikrodžio rodyklę. Taigi, jeiŽemė, 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 įrytus. Deja, Žemė sukasi labai greitai, todėl ir Saulė, ir Mėnulis atrodoskriejantys iš rytų į vakarus, tik Mėnulis – kiek lėčiau, nes jis savoorbita juda į priešingą pusę. Kai Mėnulio kraštas pradės kloti susitartąžvaigždę, vakarų pusėje esančiam stebėtojui tai atsitiks laiko momentu tV,o esantis rytuose tai stebės kiek vėliau – momentu tR. Jei Žemės paviršiausjudėjimo greitį stebėjimo lygiagretėje pažymėsime vo , tai Mėnulio judėjimoorbita ir Žemės paviršiaus taškų judėjimo greičių skirtumas bus lygus
vm – vo = s / (tR – tV).
Įstačius konkrečius dydžius, nesunkiai gautume, kad vm apytikriai lygus1023 m/s arba 3690 km/h. Taigi, Mėnulio šešėlis pusiaujuje juda 3690-1670=2020 km/h greičiu, nes iš gautos reikšmės reikia atimti Žemėspaviršiaus taškų pusiaujuje judėjimo greitį.Pav. 7.2. Mėnulio stebėjimų schema.Žinodami Mėnulio judėjimo savo orbitoje greitį nesunkiai surandame, kad persavo metus (T = 27.3 paros) jis nuskrieja atstumą, lygų 2(r, kur r žymiatstumą nuo Žemės iki Mėnulio, o jo greitis orbitoje, kurį ką tik suradome,lygus to atstumo ir T santykiui. Iš šio sąryšio galime surasti atstumą ikiMėnulio; 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 Mėnuliokraštas pradeda dengti konkrečią žvaigždę, ir antrąjį, kai ta žvaigždė vėltampa matoma. Per išmatuotą laiką Mėnulis nuskrenda atstumą, lygų savodiametrui, taigi žinodami jo ir Žemės paviršiaus taškų greičio skirtumą tądiametrą galime nesunkiai surasti.Aristarchas (3 amžius BC) šią problemą išsprendė kiek kitaip, pagal Mėnulioužtemimų trukmę (užtemimas trunka tiek laiko, kiek reikia Mėnuliuinuskrieti orbita atstumą, lygų jo diametrui) ir elementarų iš brėžinėliosekantį ryšį, kad kampas, kuriuo iš Mėnulio matoma Žemė, apytikriai lyguskampų, kuriais iš Žemės matoma Saulė ir Mėnulis, sumai.Atstumą nuo Saulės iki Žemės galime surasti pamatavę kampą, kuriuo iš Žemėsmatosi Mėnulis tuo momentu, kai Saulė apšviečia lygiai pusę jo, tai yra kaiMėnulio šešėlio kraštas lygus jo diametrui. Šis kampas pasirodo lygus 89o51′ . Stačiajame trikampyje, kurio vienas smailusis kampas yra žinomas,nesunku pagal vieną žinomą statinį (atstumą nuo Žemės iki Mėnulio) surastikitą 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 abuatstumus (nuo Žemės iki Mėnulio ir nuo Žemės iki Saulės) bei pasinaudojanttuo faktu, kad Saulės užtemimo metu Mėnulis pilnai ją uždengia, kasreiškia, kad jie abu matomi beveik tuo pačiu kampu.Atstumų iki planetų matavimas jau yra sudėtingesnis, tačiau pirmasistikslus matavimas, paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC )idėja, tikrai vertas čia paminėti. Idėjos esmę sudaro vadinamasistrianguliacijos metodas. Tarkime, jūs norite išmatuoti upės plotįnepersikeldamas per ją. Tam užtenka susirasti kokį nors orientyrą kitojepusėje, ir po to eiti išilgai upės tol, kol krypties į orientyrą kitojeupės pusėje kampas netaps lygus 45 laipsniams. Toliau netgi nereikalingatrigonometrija, nes upės plotis tokiu atveju tiesiog lygus nueitamatstumui, vadinamam baze.Pav. 7.4. Upės pločio matavimas per ją nepersikeliant.Lengva šį metodą ir patobulinti. Jei upė labai plati, galima toli irnevaikščioti, pasinaudoti mažesne baze, bet tiksliau išmatuoti kampą įorientyrą. Kadangi trikampis vėl status, upės plotį galima rasti arba išpanašių trikampių, arba pasinaudojus trigonometrija. Turbūt supratote, kadnuo bazės dydžio labai priklauso tokių matavimų tikslumas. Gautasrezultatas bus tuo tikslesnis, kuo didesnė pasirinkta bazė, kuri, kaipminėta, turi būti palyginama su upės pločiu. Čia ir yra pagrindinė problemamatuojant atstumus iki planetų, nes jie sudaro milijonus kilometrų, o Žemėsdiametras, tai yra mūsų bazė, – tik 13 tūkstančių kilometrų. Kaip tenbebūtų, jau Aristarchas daugiau ar mažiau tiksliai žinojo atstumus ikipenkių pagrindinių planetų.Bersivystant kampų matavimo technikai, ilgainiui metodas buvo ištobulintas,ir galutinai tikslus atstumas iki Marso buvo išmatuotas 1672 metais dviejųprancūzų – Teams ir Cayenne, kurių pirmasis Paryžiuje, o antrasis –Gvianoje tuo pačiu metu išmatavo šiuos kampus. Šis vienas matavimas leidotiksliai nustatyti visų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius, nes,kaip matome iš 2 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo ir apsisukimoperiodo 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 masesgalima suskaičiuoti žinant jų palydovų orbitų parametrus.Taigi, elementarūs matavimai Saulės sistemoje nėra tokie jau sudėtingi irbuvo atliekami prieš daugelį metų, nesinaudojant beveik jokia technika.Iki šiol kalbėjome tik apie astronomijos žinias, kurios be abejo yraįdomios patiems astronomams ir padeda giliau pažinti gamtą ir suprastivykstančius 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 galimybėorientuotis keliaujant ar plaukiant laivu. Šiaurinė žvaigždė visada rodokryptį į šiaurę, o jos aukštis virš horizonto – nutolimą nuo poliaus arpusiaujo. Pagal Saulės ir Mėnulio padėtis kokiu nors laiko momentu savokoordinates galima nustatyti dar tiksliau, žinoma, jei yra gerai suprastasvisų šių kūnų ir Žemės tarpusavio judėjimo pobūdis.Antroji aktuali praktinio astronomijos žinių pritaikymo sritis yra galimybėorientuotis ne tik erdvėje, bet ir laike. Tai yra kalendorius. Lotyniškaišis žodis reiškia skolų knygą, kurioje kalendomis buvo vadinami procentųmokėjimo terminai. Dar ir dabar įvairios tautos naudoja įvairiuskalendorius, užsilikusius dėl įvairių prietarų ir tradicijų. Žydųortodoksai, suskaičiavę pagal Senąjį testamentą, kada dievas sukūrė Žemę(“tikslus” rezultatas mūsų kalendoriuje yra minus 3761 metai), nuo tomomento būtent ir skaičiuoja metus. Žymiai modernesnė buvo, o ir šiuo metuyra, taip vadinama Saulės metų samprata, atsiradusi maždaug prieš keturistūkstančius metų Egipte. Ji paremta tuo, kad metai turi 365 dienas.Paprastumo dėlei jie buvo dalijami į 12 mėnesių, kiekvienas kurių turėjo po30 dienų, o penkios likę dienos metų gale būdavo išeiginės. Kodėl metaibūdavo dalinami į dvylika mėnesių? Yra keleta to skaičiaus aiškinimovariantų, bet pats panašiausias yra tas, kad tai vis tik susiję su Mėnuliofazių kaita, labai lengvai matoma iš Žemės. Tikriausiai, ne to suskirstymopriežastis, o tik pasekmė yra ir dvylika Zodiako žvaigždynų.Taigi, kuo blogas buvo Egiptiečių kalendorius, kad ilgainiui jį prireikėpakeisti? Visų kalendorių atsiradimo priežastis, jų pranašumus ir trūkumuslengviausiai galime suvokti išsiaiškinę vieno skaičiaus, lygaus 365.2422,prasmę. Šis skaičius rodo, kiek parų, kiekviena po 24 valandas, reikiaSaulei praeiti per du artimiausiuosius pavasario lygiadienio taškus, taiyra, 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 susikaupiabeveik para, o tiksliau sakant – 23 valandos, 15 minučių ir 4 sekundės. Jeinieko nekoreguoti, ilgainiui Naujųjų metų diena iš žiemos gali persikelti įvasarą ir taip toliau klajoti. Matyt, tai kažkiek trikdė, ir ilgainiuipribrendo reikalas ką nors daryti. Alternatyvos korekcijai buvo bent jaudvi – pirmiausia, jie kas ketveri metai galėdavo pridėti dar po vienąišeiginę dieną, tai yra vietoje penkių turėti šešias atostogų dienas metųgale, 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 pridedamaviena diena, ir jie tampa keliamaisiais. Sozigenas Cezario pavedimą atlikoitin kruopščiai. Pirmiausia jis metus suskaičiavo nuo Romos įkūrimo, taiyra nuo minus 753-ųjų metų. Kadangi reforma buvo įvesta minus 46-aisiaismetais, pasirodė, kad senoviškai skaičiuojant metus “pražiopsota” beveik 90dienų, kurios ir buvo pridėtos prie reformos metų. Taigi, minus 46-iejimetai turėjo 445 dienas, bet pagaliau viskas susitvarkė. Krikščioniųbažnyčia priėmė šį kalendorių 325 metais.Ar tikrai viskas?Ne, nes taip skaičiuojant kiekvieni metai tampa lygūs 365.25 paros, tai yrakiek daugiau negu reikia. Kasmet šis paskubėjimas sudaro 11 minučių ir 14sekundžių, tai yra per tuos ketverius metus susikaupia ne tiek jau mažai –44 minutės ir 56 sekundės. Per keturis šimtus metų tai sudaro maždaug trisdienas. Tiek tie keturi šimtai metų turi sutrumpėti. Sprendimą surado vėlgiastronomai, 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, buvopalikti 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 nuo325-ųjų iki 1582-ųjų metų susikaupė dešimties dienų paklaida, kurią buvonutarta kompensuoti. Reformos įvedimo metais po spalio penktosios dienosėjo spalio penkioliktoji.Lietuvoje Grigaliaus kalendorius priimtas nuo 1586, o Rusijoje – tik nuo1918 metų, todėl susikaupęs skirtumas dabar sudaro trylika parų. Iki tosreformos Kauno senamiestyje ir dabar esantis Vytauto Didžiojo tiltas perNemuną buvo pats “ilgiausias” pasaulyje, nes jį pervažiavus reikėdavo priedatos pridėti arba iš jos atimti beveik dvi savaites. Tai atsispindi dar irdabartinėse rusiškose tradicijose švęsti Kalėdas dviem savaitėmis vėliau,nei pas mus. Tradicija pernešama ir į Naujuosius metus, taigi kai kurierusai turi progą sausio tryliktąją sutikti dar ir taip vadinamus “senuosiusnaujuosius metus”.Po Grigaliaus reformos metai tapo lygūs 365.2425 paros. Tai vis dar nereikiamas anksčiau paminėtas tikslus skaičius, bet vienos dienos paklaidadabar 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 nešėjasVisatoje. Kaip žinote, ji yra ne vieniša – šviesos greičiu juda beiinformaciją perduoda taip pat ir kitos elektromagnetinės bangos, kurios nuomatomosios šviesos skiriasi tik dažniu. Tai yra ir radijo bangos, irinfraraudonieji, ir ultravioletiniai, ir rentgeno bei gama spinduliai.Pav. 8.1. Elektromagnetinių bangų ilgiai.Mažą plotelį šiame “meniu” užima matomieji spinduliai, tačiau jų vertėneįkainojama, nes juos galima pamatyti akimi. Kitų bangų fiksavimuireikalinga speciali aparatūra. Tiksliau pasakius, jeigu elektromagnetinėbanga nematoma akimi, tai dar nereiškia, kad jos nefiksuoja kiti organai.Žinome, pavyzdžiui, kad veikiant ultravioletiniam spinduliavimui, odaparuduoja, infraraudonosios bangos jaučiamos kaip šiluma, ilgalaikisbuvimas intensyviame radijo bangų lauke, nors tiesiogiai nejaučiamas,ilgainiui gali tapti kenksmingas sveikatai. Galų gale visi turbūtgirdėjote, kokį pražūtingą poveikį buvusiems Černobilyje iš karto poatominės elektrinės avarijos 1986 metais padarė gautos didelės gamaspinduliavimo dozės. Drąsiai galima pasakyti, kad žmogaus kūnas vienaip arkitaip reaguoja į labai plataus palyginus su matoma šviesa diapazonoelektromagnetines bangas. Problema yra tik tame, kad netgi jautriausiasorganas – 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, akimineužfiksuojama, tuo tarpu aparatais stebint šviesą galima nustatyti ne tikją išspinduliavusio kūno sudėtį ir dar kai kurias kitas savybes, bet irsužinoti kai ką apie aplinką, kuria šviesa sklido prieš pasiekdama imtuvą.Kitų dažnių elektromagnetiniai spinduliai tokios informacijos neša dardaugiau. Įsivaizduokite tik, kiek garsų girdite įjungę radio aparatą arbakiek vaizdų matote televizoriaus ekrane. Visa tai perneša elektromagnetinėsbangos, išspinduliuotos žmogaus protu ir rankomis sukurtų aparatų.Žmonės labai seniai domisi, kas gi yra ta šviesa, iš kur ji atsiranda irkodėl matome daiktus. Hipokratas ir Aristotelis buvo suformulavę požiūrį,kad akis pati spinduliuoja kažkokius spindulių pluoštelius, kuriais mestarsi liečiame daiktus ir todėl juos matome. Galima įsivaizduoti, kad jeijie būtų nusprendę daryti kokius nors eksperimentus, būtų tekę tyrinėti,kokie spinduliai eina iš akių. Gal būt, tokiu atveju jie greitai būtųsupratę, kad ne akis, o matomi daiktai spinduliuoja šviesą, tačiaueksperimentai jų metodologijoje nebuvo numatyti… Visas graikų “žinias”apie regėjimą buvo susumavęs toks Galenas, gyvenęs antrajame amžiuje, irtos idėjos gyvavo apie 15 amžių, panašiai kaip ir Ptolemėjaus sferųsistema. Galeno teorija buvo jau žymiai moksliškesnė ta prasme, kad buvoaiškinama tų spindulių kilmė. Buvo teigiama, kad jie gaminami smegenyse, poto optiniu nervu pasiekia akį, kur paverčiami “matymo dvasia”. Akies lęšisbuvo reikalingas tam galutiniam produktui pasiųsti į išorę. Norint galimaišsamprotauti, kad tai yra pirmasis radaro aprašymas, o tuo pačiu ir joišradimas.Leonardo da Vinči tik kiek modifikavo šį požiūrį, įvesdamas dar irspindulius, atsispindėjusius nuo daiktų. Tik Kepleris ir Dekartas, suvokę,kaip lęšiuose formuojasi vaizdai, suprato, kad panašų vaidmenį galivaidinti ir akies lęšiukas, projektuodamas matomų daiktų atvaizdus įraginę. Teisingą požiūrį į šviesą ir matymą suformulavo galų gale tikfizikai Niutonas ir Hiuigensas, eksperimentavę su tiriamais objektais.Pasirodė, kad matymas paremtas kažko tai persiuntimu nuo daikto į akį. Norsabu jie daugiau domėjosi to “kažko”, tai yra šviesos, savybėmis, Niutonasvis tik drįso susamprotauti, kad daiktai neturi spalvų – jos atsiranda tikpaties proceso, tai yra matymo, metu. Būtent Niutonui pirmajam ir atrodė,kad šviesą sudaro kažkokių dalelių srautas, tuo tarpu Hiuigensasneabejotinai įrodė, kad šviesa – tai bangos, turinčios charakteringą ilgį,dažnį ir kitas bangų charakteristikas. Vienintelė problema buvo tik ta, kadbangoms plisti reikalinga tam tikra aplinka, o tai, kad mes matomežvaigždes, reiškia, kad šviesos bangos gali plisti ir ten, kur jokiosaplinkos nėra, tai yra vakuume. Niutono požiūris tą problemą apeina, betatsiranda daug kitų. Visai neaišku, kaip dalelių srautas gali turėti bangųsavybes, tokias kaip dažnis, bangos ilgis, interferencija, difrakcija irpanašiai, kurias neabejotinai turi šviesa.Šiuo metu yra vienareikšmiškai eksperimentiškai ir teoriškai nustatyta, kadšviesa ir visos kitos elektromagnetinės bangos yra ne kas kita kaip vienųpaslaptingiausių elementariųjų dalelių – fotonų – srautai. Fotonasegzistuoja tik judėdamas, nes parimusio fotono masė lygi nuliui ir joaptikti neįmanoma. Juda fotonas tik šviesos, o ne kokiu nors kitokiugreičiu. Fotonai yra labai skirtingi. Nors fotono savybės apibrėžiamos tikvienu pagrindiniu parametru – dažniu, tačiau šio parametro kitimodiapazonas yra nepaprastai platus, praktiškai begalinis, ir tai sąlygoja jųįvairovę. Kitos fotono charakteristikos – energija ir bangos ilgis – yraišreiškiamos 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, obangos ilgiai sudaro nuo 400 iki 700 nm, tai yra nanometrų – milijardinių( lygių 10-9 ) metro dalių. Trumpiausių, o tuo pačiu galingiausių gamaspindulių 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 prieškalbant apie pasiekiančius mus Visatos spindulius ir jų atnešamąinformaciją.Tarkime, turime kokios nors energijos (bangos ilgio) fotoną. Kol jisskrieja vakuume, tikimybė susidurti su kokiu nors atomu labai maža, nestarpžvaigždinėje erdvėje, kaip matėme, atomų tankis labai mažas. Vis tik,nors atomų tankis mažas, iš milžiniško kiekio fotonų, kuriuos kas sekundęspinduliuoja deganti žvaigždė, vienas kitas su tokiu atomu pakeliui į Žemęvis tik susiduria. Tai dar nieko nereiškia – konkretus atomas sugeria nebet kokius fotonus, o tik turinčius tam tikras, tam atomui tinkamas,energijas. Turbūt visi puikiai žinote, kad nudegti saulėje sėdint už uždarolango neįmanoma, nes stiklas, permatomas regimiesiems spinduliams, sugeriaultravioletinius. Šiuo reiškiniu yra naudojamasi šildant maistą mikrobangųkrosnelėje. Kaip tik mikrobangas gerai sugeria vandens, esančio maiste,molekulės, gi kai kurios kitos medžiagos (išskyrus metalus), iš kurių irgaminami specialūs toms krosnelėms skirti indai, joms yra permatomos.Trumpai tariant, jei fotono energija pasirodo per maža sužadinti atomus, taaplinka jam tampa permatoma, tai yra jis juda joje lyg tai aplinkui niekonebūtų.Tarkime, tiko ir energija. Tokiu atveju tas fotonas pražūva. Tai neturėtųbūti keista, nes to fotono kaip ir nebuvo, kadangi jo rimties masė visada,nepriklausomai nuo energijos, lygi nuliui. Lieka iš fotono tik jo neštaenergija, – ji niekur dingti negali, todėl perduodama tam atomui. Priimtasakyti, kad tokiu atveju atomas susižadina. Atomo energija, kaip matėme,negali padidėti bet kaip, tai yra susižadinti nuo bet kokios mažosenergijos fotono jis negali. Galimi tik šuoliai į tam tikras sužadintasbūsenas.Pav. 8.2. Atomo sužadintų būsenų schema ir atitinkamas spektras.Tokių sužadintų būsenų kiekvienas atomas turi daug. Sugėręs fotoną atomasperšoka į vieną tų būsenų, tai vadinasi jo absorbciniu spektru. Grįždamaspo kiek laiko į žemesnę būseną jis gali išspinduliuoti fotoną, taipatsiranda emisinis to atomo spektras. Skirtingų atomų spektrai yraskirtingi. Juos galima registruoti specialiais aparatais – spektroskopaisarba teoriškai apskaičiuoti, naudojantis kvantine mechanika. Neutralausatomo spektro energijos turi viršutinę ribą, tai yra jis tarsi pasibaigiaprie tam tikros energijos. Fotonai, kurių energijos kiek didesnės už šią,susidūrę su tokiu atomu, gali taip jį sužadinti, kad iš jo išlekiaelektronas, ir atomas tampa jonu, kurio spektras visiškai skiriasi nuopradinio atomo spektro. Dar keliant fotono energiją galima pasiekti ribą,kai išplėšiamas antras elektronas (gauname du kart jonizuotą atomą) ir taiptoliau, kol prie branduolio iš viso nelieka elektronų. Plėšiant vidiniuselektronus, jau reikalingi Rentgeno spinduliai. Dar didesnės energijosfotonai, vadinami gama kvantai, jau geba žadinti atomo branduolį. Atomųterpė jiems vėl, kaip ir itin žemų energijų fotonams, paprasčiausiaipermatoma.Grįžkime prie normalių atvejų. Susižadinęs atomas ilgai neišbūna. Maždaugpo vienos milijardinės sekundės dalies jis turi kam nors tą sužadinimoenergiją perduoti. Jei šalia yra daug kitokių atomų, energija jiemssusidūrinėjant gali pasiskirstyti ir pavirsti kinetine jų energija, tai yrapadidinti jų judėjimo greitį. Atomų arba molekulių judėjimo greitisproporcingas jų temperatūrai, todėl aprašytas procesas yra paprasčiausiasapšviestos medžiagos šilimas. Dėl tokių procesų dieną palyginus su naktimipakyla oro ir vandens temperatūra, ištirpsta ledai ir gali vykti potvyniai,kuriems Mėnulis įtakos neturi.Jei atmosferoje ir vandenyje vyktų tik tokie procesai, jie būtųnepermatomi, ir jokių žvaigždžių akimi nematytume. Vaizdas būtų panašuskaip gyvenant kambaryje be langų. Gelbsti galimybė vykti dar ir kitokiemsprocesams, kai retose arba turinčiose specialių savybių aplinkosesužadintam atomui palankiau išspinduliuoti kitą fotoną, negu perduotisužadinimo energiją kaimynams. Tai daro medžiagą permatoma, nes fotonainėra sugeriami, o tik apsunkinamas jų kelias per tą medžiagą. Šioapsunkinimo charakteristika yra jums pažįstamas tos skaidrios medžiagoslūžio rodiklis, kuris didesnis už vienetą ir rodo šviesos greičiosumažėjimą joje. Mikrodalelių pasaulyje, kurį puikiai aprašo kvantinėmechanika, neuždrausti visi galimi procesai, todėl įmanomas ir atomo armolekulės susižadinimas nuo smūgių, tai yra nuo susidūrimų su energingaiskaimynais, sukeliantis ne kinetinės energijos padidėjimą, o fotonoišspinduliavimą. Šį procesą kiekvienas esate irgi matę – tai yra kaitinamometalo gabalo švytėjimas. Jei pastebėjote, iš pradžių, kol sudarančių jįdalelių kinetinė energija yra nedidelė, jis tik parausta, toliau jai augantpageltonuoja, pabala ir galų gale tampa melsvai baltu. Tai paaiškinamalabai paprastai – raudonųjų fotonų bangos ilgis didžiausias, o energijamažiausia iš visų matomų, jiems spinduliuoti užtenka ir nelabai dideliųsužadinimo energijų, gi mėlynųjų, o tuo labiau violetinių, fotonų energijospačios didžiausios; sudėjus visus tuos spindulius į krūvą beveik vienodomisproporcijomis gaunasi balta šviesa. Matomame diapazone beveik tokia yrašviesos, atsklindančios iš Saulės, sudėtis. Žinoma, joje yra dar ir
visokiausių kitokių ilgių elektromagnetinių bangų, tai yra ir kitokiųenergijų 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 irišspinduliuoja vieną kitą, kad ir mažos energijos, fotoną. Dėl šiospriežasties fotonus spinduliuoja visi mus supantys kūnai, tame tarpe irŽemė, ir mes patys. Tai yra vadinamasis šiluminis spinduliavimas. Kuokarštesnis kūnas, tuo trumpesnių bangos ilgių, tai reiškia – didesniųenergijų – spindulius jis skleidžia. Tiksliau sakant, spinduliuojamiįvairių bangos ilgių spinduliai, bet intensyvumo maksimumas, atitinkantistam tikrą bangos ilgį, kylant kūno temperatūrai, slenkasi į trumpesniųbangų sritį. Kad kūnas pradėtų spinduliuoti matomus spindulius, jotemperatūra turi būti lygi keliems tūkstančiams laipsnių. Labai karštaskūnas, toks kaip žvaigždė, sudarytas iš vandenilio ir nedidelės dalies kitųelementų, spinduliuoja įvairiausių dažnių fotonus, kurie užkloja ir visąmatomos šviesos diapazoną. Praėjusi per disperguojančią aplinką tokiašviesa išsiskleidžia į vaivorykštę, tai reiškia ji yra išdėstoma pagalfotonų dažnius. Panašiai kaip Niutono prizmė, dirba ir šiuolaikiniaispektroskopai, analizuojantys spektrinę, tai yra dažnuminę šviesos sudėtį.Dabar jau turbūt supratote, kad pasiekusi mus šviesa gali labai daug kąpapasakoti. Pirma, jei sugebame užfiksuoti žvaigždės spinduliuojamaselektromagnetinius spindulius pakankamai plačiame bangų ilgių diapazone,suradę, kokį bangos ilgį atitinka pasiskirstymo maksimumas, galime rastižvaigždės arba kitokio stebimo objekto temperatūrą. Šios kreivės,susiejančios spinduliuotės intensyvumą su jos bangos ilgiu, vadinamosPlanko kreivėmis. Įdomi jų savybė ta, kad jos, atitinkančios skirtingųtemperatūrų žvaigždes ar šiaip skleidžiančius spinduliuotę kūnus,nesikerta. Tai reiškia, kad karštesnis objektas intensyviau už vėsesnįjįspinduliuoja visų ilgių elektromagnetines bangas. Pasitikrinti šiącharakteristiką galime ir nefiksuodami labai plataus diapazono, o tiesiognustatę, kokių jonų spektrai matomi, kadangi kiekvieno atomo jonizavimuireikalinga tam tikra fiksuota energija, taigi ir tam tikra lengvai su jasusiejama temperatūra.Pav. 8.3. Įvairių temperatūrų objektų spinduliuotės intensyvumopriklausomybė nuo bangos ilgio (Planko kreivės).Nuodugniau žvilgterėjus į šią šviesą, galima atrasti, kad ji yra neištisinė, o sudalyta tamsaus absorbcijos linijų tinklo. Kadangi kiekvienasatomas ar jonas turi savo specifinį, tik jam vienam būdingą, spektriniųlinijų išsidėstymą, galima nustatyti, iš kokių atomų sudaryta žvaigždėsbranduolį supanti medžiaga, kurioje ta spinduliuotė yra gimusi. Panašius“spektrus” jūs galite pamatyti netgi supermarkete, kadangi kiekviena prekėturi 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 perminėtus retus dujų debesis, kurių pilna Visatoje. Einant jai per tokiąaplinką tie fotonai, kurių dažniai tinkami, yra absorbuojami. Taipasireiškia kaip juodos absorbcijos linijos, atitinkančios dažnius tųmedžiagų, iš kurių susidaręs debesis. Šviesa, o tuo pačiu ir energija,sugertos iš pradinio spindulio, pavirsta arba kinetine debesies daleliųenergija, arba kitais fotonais, kuriuos spinduliuoja jos sužadinti debesiesatomai. Retame debesyje antrasis procesas labiau tikėtinas, todėl galikilti klausimas, kodėl vis tik tos absorbcijos linijos atsiranda. Atsakymaspaprasčiausiai yra tas, kad jei pradinio spindulio fotonai juda vienakryptimi, tai perspinduliuotieji plinta į visas puses, todėl pradinekryptimi jų intensyvumas ir sumažėja.Pav. 8.4. Tolydinis, emisijos ir absorbcijos linijų spektrai.Galų gale, galima nustatyti, kokiu greičiu spinduliuojanti tą šviesąžvaigždė ar galaktika juda Žemės atžvilgiu, nes dėl Doplerio efektospindulių šaltiniui ir imtuvui judant vienas kito atžvilgiu visosspektrinės linijos pasislenka į ilgesniųjų arba trumpesniųjų bangų sritį.Tas poslinkis visiems fotonams yra toks pat, kadangi galioja labaipaprastas ryšys tarp imtuvo ir šaltinio santykinio judėjimo greičio v beipradinio, žvaigždės išspinduliuoto, fotono bangos ilgio ( ir kritusio įimtuvą to paties fotono bangos ilgio (‘ : v / c = ((‘ – () / ( .
Jei šaltinis tolsta, jo greitis mūsų, tai yra stebėtojo, atžvilgiu yrateigiamas, v > 0 , o jei artėja – neigiamas, v < 0 . Tai reiškia, kadtolstančio šaltinio išspinduliuotų fotonų bangų ilgiai padidėja, tai yrapasistumia į raudonųjų bangų pusę; todėl šis poslinkis vadinamasraudonuoju. Artėjančio šaltinio bangų ilgiai sumažėja, todėl poslinkisvadinamas mėlynuoju.Būtent naudojantis šiuo efektu Edvinui Hablui pavyko ištirti Visatosstruktūrą ir aptikti, kad ji šiuo metu plečiasi.Taigi, elektromagnetinės bangos neša labai daug informacijos, reikia tikmokėti ją suprasti. Akimi tai padaryti neįmanoma, reikalingi specialūsprietaisai. Jau kalbėjome, kokią revoliuciją tiriant Saulės sistemąsuvaidino Galilėjaus teleskopas. Dabar analogiški prietaisai yra labaiištobulinti ir leidžia stebėti ypatingai tolimus, labai mažo ryškioobjektus. Dešimties centų monetos, esančios už dešimties kilometrų,pamatymas tokiu prietaisu nesudaro jokių sunkumų. Problemos atsirandakitur. Pasirodo, matyti Visatos objektus labai trukdo atmosfera, kuriojeesantys dulkės, garai, dūmai, o taip pat judančios pačios dujų molekulėsiškraipo stebimąjį vaizdą. Dėl šių priežasčių observatorijos įrengiamosžemyninio klimato zonose, kad dangus būtų apsiniaukęs kuo mažiau naktų permetus. Kiek varijuoja šis rodiklis, galite spręsti iš to, kad kai kurioseŽemės vietose per metus būna iki 300 giedrų naktų, o kai kuriose – iki 300apsiniaukusių. Be to, observatorija turi būti įrengta kuo toliau nuo miestųir 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 baseinasVokietijoje, aukštakrosnių kompleksai Ukrainoje ir Urale užteršiadidžiulius aplinkinius rajonus, ten observatorijos perspektyvų neturi.Pav. 8.5. Žemės atmosferos permatomumas įvairioms elektromagnetinėmsbangoms.Taigi, jau turbūt drasiai galima nuspręsti, kad idealios vietos antžeminėmsobservatorijoms yra kalnuose, kur mažesnis atmosferos storis, mažiauteršalų, šilumos ir šviesos šaltinių. Taip jau seniai pastebėta –stambiausi teleskopai įrengiami kalnuose – Arizonos dykumoje, Čilėje arHavajuose. Dar geriau negu kalnuose teleskopai jaučiasi kosmose, kurtrukdžiai ir užteršimas yra visai nedideli. Tai jau ir padaryta. Nuo 1989metų NASA eksploatuoja 2.4 metro diametro teleskopą, pavadintą aptikusioVisatos plėtimąsi Edvino Hablo garbei jo vardu.Naudojami teleskopai Visatą stebi jau seniai ne tik matomos šviesos, bet irpraktiškai visuose kituose elektromagnetinių bangų diapazonuose. Akimižvaigždžių niekas nebestebi net per teleskopą, nes fotoplokštelėse arkituose registruojančiuose prietaisuose galima, padidinus ekspoziciją, perilgesnį laiką sukaupti pakankamai informacijos ir apie visai sunkiaiįžiūrimus 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, neskiekvienas elementas turi savo “pirštų antspaudus” ir yra nesunkiaiatpažįstamas. Ne kartą yra buvę taip, kad atrodė, jog pamatytas kažkoksnežinomas elementas ar junginys, nes jo spektras neatitikdavo jokių žinomųelementų spektrų. Deja, ilgainiui pasirodydavo, kad tiesiog tai yra kasnors iš žinomų, tačiau esantis tokiose sąlygose, kurių nėra arba netgivisai neįmanoma dirbtinai sukurti Žemėje. Maždaug prieš dvidešimt ar kiekdaugiau metų, kai dirbtiniuose Žemės palydovuose buvo įtaisytispektroskopai, leidę stebėti Visatą tolimojo ultravioleto ir rentgenospindulių diapazonuose, pasirodė, kad užregistruoti sudėtingi irnepažįstami spektrai yra daug kartų jonizuotų žinomų elementų spektrai.Tokie elementai kosmose “pagaminami”, kadangi normaliam atomui atsidūrusenergingo spinduliavimo lauke nuo jo “nuplėšiama” daug elektronų ir jistampa iš pirmo žvilgsnio neatpažįstamu. Norint sukurti tokias sąlygasŽemėje, reikia labai pasistengti. Tai ne tik brangiai kainuoja, bet irreikalauja unikalios įrangos. Kosmose sąlygų įvairovė yra tiesiogstulbinanti ir materija egzistuoja visose įmanomose formose, tame tarpe irpačiose egzotiškiausiose.Pabandykime prisiminti, iš ko viskas aplink padaryta, kaip visa tai galipasikeisti kintant išorinėms sąlygoms, koks yra šiuolaikinis požiūris įmaterijos struktūrą. Kaip žinome, bendras mokslo bruožas yra tas, kad visosbe išimčių žinios negali būti sustabarėję, o nuolatos keičiasi, tačiau tiepasikeitimai, pasiekus tam tikrą lygį, yra pastebimi tik kvalifikuotamspecialistui. Kalbėsiu būtent apie tą lygį, kuris pakankamai rafinuotas,bet kartu ir ne per lėkštas. Vargu ar tie teiginiai, patikrinti irpripažinti XX amžiuje, ženkliai pasikeis per kelis artimiausiusdešimtmečius.Taigi, mums pilnai pakaks tų žinių, kad Visata sudaryta iš materijos,kurios pagrindiniai struktūriniai elementai yra protonai, neutronai irelektronai, o taip pat jau pažįstamas fotonas, kuris efektyviausiai pernešane tik sąveikas tarp šių dalelių, bet ir informaciją. Gravitacinę saveikątarp bet kokių dviejų masių perneša gravitonai, tačiau jie netgi neaptiktieksperimentiškai ir šiandien, kalbant apie smulkiausias materijos daleles,mums neaktualūs, nes ši sąveika palyginus su kitomis, – elektromagnetine irstipriąja, 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 įvairiausimezonai – pi, ro, omega ir kiti. Jų mums nereikės, užtenka žinoti, ką irkaip jie padaro. Galų gale, protonai ir neutronai patys yra padaryti iškvarkų, tačiau ir tai atidėkime į šalį. Kai girdite apie daugybę kitokiųelementariųjų dalelių, tai yra ne kas kita, kaip tik ypatingoms sąlygomsesant kosmose arba laboratorijose egzistuojantys labai trumpai gyvuojantysegzotiški 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. Abidalelės labai panašios, jos skiriasi tik krūviu, todėl apibendrintaivadinamos nukleonais. Pirmasis paradoksas yra būtent tame, kad ši sąveikavadinama stipriąja. Energijos masteliai, palyginus su atominiais, čia yra,aišku, milijoną kartų didesni, tačiau dviejų neutronų arba dviejų protonų įkrūvą ji “suklijuoti” negali, o protonas su neutronu “sulimpa” tik labaispecifiniu būdu, sudarydami taip vadinamą deuteroną, sunkiajame vandenyjepakeičiantį vandenilį. Deuteronas nėra labai patvarus – pasitaikius progaijis tuoj pat atgal subyra į neutroną ir protoną. Iš trijų nukleonų galimapadaryti tik du branduolius – tritoną (du neutronai plius vienas protonas)ir helioną (neutronas plius du protonai), kurie kiek patvaresni uždeuteroną, bet neturi jokių sužadintų būsenų, o žadinant vėlgi iš kartoskyla į dalis. Iš keturių nukleonų susidaro tik vienas (du neutronai pliusdu protonai), bet užtai ypatingai patvarus, helio-4 branduolys, darvadinamas alfa-dalele. Šis branduolys savo matmenimis yra mažesnis užminėtus trijų, o tuo labiau dviejų nukleonų branduolius. Alfa dalelė tokiapatvari, kad prie jos netgi penktasis nukleonas negali “prilipti”. Taigi,stabilių penkių nukleonų branduolių gamtoje nėra iš viso. Nuo šešiųnukleonų jau prasideda daugmaž normalūs branduoliai, nors dar nėra irstabilių branduolių, sudarytų iš aštuonių nukleonų.Pav. 8.6. Lengviausiųjų branduolių stabilumo takas. Stabilūs branduoliaipažymėti pilkai.Visa atomo branduolio energija yra neigiamas dydis, charakterizuojantis tobranduolio stabilumą. Norint suskaldyti tą branduolį į atskirus nukleonusreikalinga kaip tik tokia energija, bet su priešingu ženklu, tai yrateigiama. Ji vadinama atomo branduolio ryšio energija. Padalinta išnukleonų skaičiaus ji kaip tik ir lygi ryšio energijai vienam nukleonui,charakterizuojančiai jų sulipimą branduolyje. Kuo ji didesnė, tuo stipriausurišti branduolyje nukleonai, tuo sunkiau tokį branduolį suardyti.Priešingo ženklo, tai yra neigiamas dydis, yra energija, tenkanti vienamnukleonui tame branduolyje. Jeigu pabandytume pasižiūrėti, kaip šisparametras kinta augant nukleonų skaičiui, tai pamatytume, kad jis turiišsiskiriantį minimumą jau minėtai alfa – dalelei, po to staigiai išauga irtoliau po truputį krenta iki geležies – nikelio, o po to vėl monotoniškaiauga. To branduolių slėnio dauboje randasi stabiliausi Visatoje geležiesbranduoliai. Norint gauti iš atomų branduolių kokios nors energijos, reikialeistis gilyn į tą slėnį, tai reiškia – arba iš silpniau surištų lengvųjųbranduolių gaminti labiau surištus (tai vadinasi branduoline sinteze,tokios reakcijos vyksta sprogstant branduolinei bombai, lėtai jų atliktitokiais kiekiais, kad tai galėtų duoti praktinę naudą, dar niekamnepavyko), arba mažiau surištus sunkiuosius skaldyti į stipriau surištuslengvesnius branduolius (tai yra reakcijos, kurios vyksta greitaisprogstant dabar nebemadingai atominei bombai, arba lėtai degantbranduoliniam kurui atominėse elektrinėse), nes tik taip galimaatpalaiduoti juose sukauptą energiją. Augant nukleonų skaičiuibranduoliuose, sunkesniuose už geležį, jie darosi vis mažiau ir mažiaustabilūs. Taip atsitinka todėl, kad stiprioji sąveika yra trumpo veikimosąveika. Taigi, dideliame branduolyje, panašiai kaip skysčio laše, tampriaususiję yra tik esantys šalia vienas kito nukleonai, ir kai jų labai daug,atsiranda polinkis tam branduoliui klasterizuotis, tai yra suskilti įmažesnes, bet labiau surištas dalis. Dėl šių priežasčių stabilių branduoliųtakelis iš viso nutrūksta. Daugiau ar mažiau stabilių izotopų yra apietūkstantį. Paskutinis stabilus branduolys yra urano izotopas, turintis 238nukleonus.Pav. 8.7. Branduolių slėnis.Taigi, tūkstantis beveik stabilių branduolių. Tuo tarpu žvilgtelėję įperiodinę lentelę matome tik apie šimtą elementų. Kodėl? Priežastis yra ta,kad cheminį elementą, tai yra atomo elgesį žemose energijose, kuriosbūdingos cheminėms reakcijoms, apsprendžia visiškai ne jo branduolys, obesisukantys apie jį elektronai, ir tai dar ne visi, o tik patys išoriniai.Kiek elektronų gali apie kokį nors branduolį suktis, nusako ne bendrasnukleonų skaičius jame, o tik tai, kiek tarp jų yra protonų. Kaip nesunkusuprasti iš pateikto lengvųjų branduolių stabilumo tako, nėra jokiobranduolio, sudaryto vien tik iš protonų, protonai visi turi vienodą krūvįir stumiasi vienas nuo kito. Nors stiprioji sąveika juos ir bandosuklijuoti, susidaryti stabiliam branduoliui būtina, kad jame būtų dar irneutronų. Tam tikro elemento izotopai būtent ir yra branduoliai, turintysfiksuotą protonų (žymima raide Z), bet skirtingą neutronų (N) skaičių. Prievisų tokių branduolių normaliomis sąlygomis tuoj pat atsiranda būtent Zelektronų, kad susidariusios sistemos (atomo) krūvis būtų lygus nuliui.Beveik kiekvienas elementas turi po kelis izotopus. Jų cheminės savybėsvisiškai vienodos, nes jie skiriasi tik esančių branduolyje neutronųskaičiumi. Pavyzdžiui, kalcis, kurio pilna mūsų kauluose, turi šešisstabilius ir dar vienuolika radioaktyvių izotopų. Radioaktyvūs yra tieizotopai, kurių branduoliai po ilgesnio ar trumpesnio laiko skyla į dalis.Skilimo metu elektronai irgi lengvai persiskirsto taip pat į dvianalogiškas dalis. Kaule nelieka kalcio, o tai nėra labai gerai.Normaliomis sąlygomis tokių radioaktyvių atomų yra nedaug, ir jei vienaskitas suskyla, tai žmogui nieko neatsitinka. Avarijos, tokios kaip įvykusiČernobylyje, metu atmosferoje atsiranda daug radioaktyvių izotopų. Jeigu jųneįkvėpėte, tai iškritusius ant žemės juos įsisavina augalai, po to –gyvuliai, dar po to su pienu ar mėsa galų gale ir žmonės. Kadangi bet koksgyvas organizmas linkęs nuolatos atsinaujinti, gyvenant tokiomis sąlygomisįprastiniai, tai yra turintys stabilius branduolius, organizme esantysatomai greitai pasikeičia radioaktyviais, kurie galų gale patys savaime dėlradioaktyvaus skilimo dingsta beveik be pėdsakų. Iš čia ir kyla visosproblemos.Kodėl chemines elementų savybes apsprendžia tik elektronai? Čia priežastysbent jau dvi. Pirmiausia, branduolys yra labai mažas palyginus su atomu,jis yra tarsi labai gerai suvyniotas į elektronų apvalkalą. Jei paimtumėteir tušinuku nusipieštumėte savo sąsiuviniuose 1 mm diametro taškelį irįsivaizduotumėte, kad tokio dydžio yra atomo branduolys, tai atomas būtų nemažesnis už keturių aukštų namą. Šitų mastelių netgi neįmanoma pavaizduotikokiame nors paveiksle, kuris telpa į šį lapą. Tuo tarpu būtent branduolyjeyra sukoncentruota beveik visa atomo masė, nes kiekvienas protonas, kaip irneutronas, yra apie 2000 kartų masyvesnis už elektroną. Tai panašu į Saulėssistemą, jei branduolį įsivaizduotume kaip Saulę, o elektronus – kaipplanetas, nors yra ir esminių skirtingumų. Manau, jūs patys juos lengvaigalite išvardinti. Antroji priežastis yra ta, kad tose temperatūrose,kuriose mes gyvename ir kuriose pasireiškia būtent cheminės elementųsavybės, energijos nepakanka niekam kitam, o tik kiek “pakutenti” tuoselektronus. 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 sudarytavisa gyvoji gamta, susidarymą. Kokia šių darinių įvairovė, galime spręstiiš tokių pavyzdžių. Pratęskime mintį apie branduolį kaip taškelį ir atomąkaip namą. Virusas tokiu atveju būtų darinys apie 5 km diametro,tarpžvaigždinių dulkių dalelė – apie 50 km, bakterija – dar du kartusdidesnė. Lastelė būtų apie 500 km diametro dalykėlis, o kuris nors iš mūsųvos tilptų atstume nuo Žemės iki Saulės.Šildydami maistą ar važiuodami automobiliu mes naudojamės cheminių reakcijųsavybėmis išskirti energiją. Panašiai kaip aptartose branduolių skilimoarba sintezės reakcijose čia irgi iš mažiau surištų objektų susidarantlabiau surištiems didėja produktų kinetinė energija, tai yra temperatūra.Nuostabu yra dar ir tai, kad dauguma šių reakcijų vyksta savaime. Atsukatedujų čiaupą, uždegate degtuką, ir jeigu tik bus tiekiamos, jos gali degtimetų metus.Pav. 8.8. Periodinė elementų lentelė. Joje pavadinimai elementų, kurienormaliomis sąlygomis yra dujos, pavaizduoti raudonai, esantys skysčiais –žaliai, o esantys kietais kūnais – juodai.Gyvename mes iš tiesų prabangiose sąlygose, tai yra 273 plius minus 50laipsnių Kelvino temperatūroje. Pažvelkite pro langą – aplinkui pilna garų,dujų, skysčių ir kietų kūnų. Ne tiek jau daug reikia apsirengti irpavalgyti, kad užtektų energijos palaikyti pastovią kūno temperatūrą, kaiptik tokią, kurios reikia vykti savaiminėms suvalgyto maisto – monosacharidų– oksidacijos reakcijoms, teikiančioms energiją visiems organams irpalaikančioms tokią kūno temperatūrą, kurioje ištirpsta riebalai, lengvaijuda 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 šilčiaurengtis ir šildyti patalpas. Kas gi būtų, jei temperatūra dar labiaunukristų – tarkime, iki minus 200 laipsnių Celsijaus? Užšaltų ir sukietėtųne tik vanduo, bet ir dauguma kitų elementų, netgi tie, kurie normaliomissąlygomis yra dujos. Prisimenate, kas darosi Plutone jam tolstant nuoSaulės? Čia irgi būtų ne ką geriau. Dabar pagalvokime, kas atsitiktųpakilus temperatūrai keliais tūkstančiais laipsnių. Molekulės suskiltų,beveik visos medžiagos, kurios normaliai yra kietos, suskystėtų, o kaikurios ir išgaruotų. Visatoje ir žemos, ir aukštos temperatūros yraįprastas dalykas, todėl tokia didelė ir stebimų spektrų įvairovė, neskylant temperatūrai ir medžiagoms pereinant iš vienų agregatinių būvių įkitus jų fizikinės savybės labai keičiasi.Dar labiau keliant temperatūrą chemija, o tuo pačiu ir visa organikapasibaigia – nuo atomų pradeda atitrūkti elektronai – iš pradžių vienas, poto antras, ir taip toliau iki susidarant pilnai jonizuotai plazmai, kaibranduoliai dėl didžiulės kinetinės energijos nebegali nulaikyti elektronų.Tokiu atveju jokios struktūros nebesusidaro, elektronai nebetrukdopasireikšti branduoliams, kurie gali laisvai daužytis ir reaguoti. Tokieprocesai vyksta žvaigždėse, jų metu kaip tik ir išsiskiria ta energija,kuri užtikrina minėtą mūsų komfortą.Kiekvieną iš minėtų materijos būvių, atsirandančių kylant temperatūrai, taiyra:1. Kietą kūną su beveik nejudančiais jonais gardelės mazguose,2. Skystį, kuriame neutralios, susigrąžinę elektronus molekulės gali beveiklaisvai 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 irbranduolius,7. Dar aukštesnes temperatūras, kai tampa galimos lengvųjų branduoliųsintezės reakcijos,atitinka specifiniai spektrai ir atitinkamų energijų fotonai, kurie pasiekęmus 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 dienąšviečianti Saulė negali turėti nieko bendro, laikėsi ir beveik visi senovėsišminčiai, ir palyginus visai neseniai – dargi tokie astronomijos gigantai,kaip Kopernikas ir Kepleris. Galima lengvai visus juos suprasti, nesžvaigždės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiauvisos jos vis tik yra niekingai smulkios ir neišvaizdžios.Pav. 9.1. Žvaigždžių spiečius.Lūžis žvaigždžių suvokime įvyko palyginus neseniai, kai išsivysčiusspektroskopijai pamažu buvo įsitikinta, kad jos skleidžia šviesą, savocharakteristikomis įvairią, bet esme labai panašią į Saulės skleidžiamą.Dabar gerai žinoma, kad jos yra įvairiausiai nutolę nuo Žemės, o jų savybėsgali būti dar įvairesnės negu kad ir šiaip matosi, tačiau pradėtisamprotauti apie jas remiantis tokiais faktais būtų buvę labai jau drąsu irtiek pat nekonstruktyvu. Paprasta, bet labai vertinga ir labaipasitarnavusi pradiniame žvaigždžių studijavimo etape, hipotezė buvo ta,kad visos jos yra vienodos, tokios kaip ir Saulė, bet tik išsidėstęįvairiais atstumais nuo Žemės. Pabandykime pasiaiškinti, kas galėtų sektiiš šios prielaidos, pasekdami Hiuigenso (XVII amžius) samprotavimų eigą.Jei antroji po Saulės ryškiausia žvaigždė – Sirijus – yra lygiai tokia patikaip Saulė, tai abi jos per tą patį laiką išspinduliuoja tiek pat fotonų.Sklisdami nuo Saulės, Sirijaus ar kokios kitos žvaigždės, fotonai tolygiaiišsisklaido erdvėje, užpildydami vis didesnį, priklausomai nuo nuskrietoatstumo, sferos, kurios spindulys lygus tam atstumui, paviršių. Sferospaviršiaus plotas, kaip žinome, proporcingas jos spindulio kvadratui, todėlskaičius fotonų, krentančių į kokį fiksuotą tos sferos paviršiaus plotelį,tolydžio mažėja augant sferos spinduliui atvirkščiai proporcingai jokvadratui.Pav. 9.2. Atvirkštinių kvadratų dėsnis sklindant šviesai.Jei Saulė ir Sirijus yra visai vienodos žvaigždės, tai norint palygintiatstumus iki jų reikia tik surasti, koks yra santykis plotelių, į kuriuosdieną 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, dienąHiuigensas bandė pasidaryti tokią mažą skylutę sienoje tamsiame kambaryje,kad ji nuo praėjusios Saulės šviesos būtų taip pat ryški, kaip Sirijusnaktį. Žinoma, tokie matavimai labai apytikriai, tačiau buvo gautas visaiprotingas 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 galibūti labai toli – kadangi kitos yra matomos ne tokios ryškios kaip Sirijus,tai jos turėtų būti dar toliau. Deja, jis nėra tikslus, – Sirijus randasiuž 8.7 šviesmečio, tai yra beveik 20 kartų toliau. Skirtumas gavosi ne tikdėl paklaidų, atsiradusių duriant tą skylutę ir prisimenant naktį matytoSirijaus ryškį, bet dar ir todėl, kad Sirijus yra žymiai ryškesnis užSaulę. Jei pastaroji būtų tokiame atstume, kaip Sirijus, tai ji nesiskirtųnuo daugybės mažučių žvaigždelių.Tačiau tai mes žinome tik dabar, prieš 300 metų problemos atrodė kitaip.Niutonas savo “Ištakose” aprašo J.Gregori surastą metodą matuoti atstumuiiki Sirijaus, kuris turėtų būti įdomus ir pamokantis. Gregori pastebėjo,kad Sirijus beveik taip pat ryškus, kaip planeta Saturnas. Kadangi kartaisjie abu matosi vienu metu ir beveik šalia, tai palyginimo paklaidos yražymiai mažesnės. Vienodas matomas ryškis reiškia, kad iš vieno ir antrokrentančių į akį fotonų skaičiaus tankis yra toks pat. Čia palyginimo būdaskiek rafinuotesnis. nes Saturnas tik atspindi Saulės šviesą. Iš pradžiųSaulės išspinduliuoti fotonai, vis besiskleisdami (tankis, kaip visada,kinta atvirkščiai proporcingai atstumo kvadratui) turi pasiekti Saturnopaviršių, ten dalis jų yra sugeriama, nes atspindžio koeficientas (albedo)nelygus vienetui. Atspindėti fotonai, vėl tolydžio mažėjant jų tankiui, irkrenta į akies plotą. Iš Sirijaus jie atsklinda be tarpininkų, todėlpalyginimas ir yra kiek sudėtingesnis. Aprašomu metu atstumai nuo Saulėsiki Žemės ir iki Saturno buvo žinomi, taigi Niutono skaičiavimai,besiremiantys tik ta pačia hipoteze, kad Sirijus ir Saulė yra tokios patžvaigždės, turėjo būti žymiai tikslesni už Hiuigenso. Taip ir gavosi –atstumas iki Sirijaus buvo įvertintas esąs 100 000 kartų didesnis užatstumą iki Saulės. Tai yra tris kart geriau!Deja, abu metodai tyrinėtojams neatrodė labai patikimi, nes priklausė nuoprielaidos apie žvaigždžių ryškį, todėl nuolatos buvo ieškoma, kaip juospatikslinti. Rimčiausias būdas tą padaryti yra jau mūsų apsvarstytasparalakso matavimas, kai stebėtojai, esantys dviejuose skirtinguosetaškuose, išmatuoja kampus, kuriais ta žvaigždė matoma tolesnių žvaigždžiųfone. Vadovaujantis hipoteze, kad visos žvaigždės yra vienodos, sutolimesnėmis žvaigždėmis problemų nėra – kuo žvaigždė mažiau ryški, tuotoliau ji yra. Lieka tik kampų matavimo sunkumai. Kuo stebėtojai yraarčiau vienas kito (atstumas tarp jų vadinamas baze), tuo tie kampaiartimesni 90 laipsnių, tuo sunkiau juos išmatuoti, tuo didesnė paklaida.Jei matavimus norime atlikti vienu metu, tai didžiausia bazė, kaip nesunkususigaudyti, lygi Žemės diametrui, nes toliau vienas nuo kito patalpintistebėtojų neįmanoma. Galima, tačiau, tą bazę labai padidinti, turintomenyje Žemės judėjimą apie Saulę. Jei stebėsime tą patį objektą atskiraivasarą ir žiemą, tai bazė bus lygi Žemės orbitos diametrui, tai yra beveik300 milijonų kilometrų. Tai irgi ne riba, nes Žemė kartu su Saule juda apiemūsų Galaktikos centrą, o tos orbitos spindulys yra dar didesnis.Pav. 9.3. Paralakso iliustracija.Taigi, reikia matuoti paralaksus. Šioje srityje įdomių rezultatų yra gavęsV.Heršelis (1738 – 1822), todėl verta juos paminėti. Samprotavimų sekabuvo tokia. Jeigu visos žvaigždės vienodos, tai suradus šalia dvi žvaigždes– vieną ryškią, o kitą neryškią, galima spręsti, kad viena jų yra žymiaitoliau už kitą. Todėl, per metus Žemei judant orbita, ryškesnė žvaigždėtarsi judės elipsiu tolesnės žvaigždės aplinkoje, ir nejudančiomsžvaigždėms šis judėjimas turi kartotis metų periodu. Paprasčiau tai, kaspasakyta, 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 vietąžiūrovų salėje, tai aktoriaus padėtis dekoracijų atžvilgiu jums judantkeisis. Tai ir yra paralakso metodo esmė. Kadangi mūsų “žiūrovas”, esantis
Žemėje, juda su planeta apie Saulę elipsiu, tai elipsį “pieš” ir aktoriausvaizdas (ar šešėlis) dekoracijų fone. Pagal šiuos ryškiosios žvaigždėsmetinius 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 kitisurado apie 700 tokių ryškios ir neryškios žvaigždžių porų ir bandėnustatyti jų paralaksus, o tuo pačiu ir atstumus, tačiau pasirodė, kad nėvienu atveju stebėti poslinkiai negalėjo būti traktuoti kaip paralaktiniai,tai yra jie nesikartojo metų bėgyje ir turėjo dar kitokių keistenybių. Tikdaugelį metų kankinęsis prie gautų rezultatų, Heršelis pagaliau suprato,kad jis surado dvinares žvaigždes, kurios labai paplitę Visatoje. Ryški irneryški žvaigždės, besiskiriančios šiuo parametru šimtus kartų, pasirodėesą arti viena kitos ir besisukančios apie bendrą masių centrą. Pasirodė,kad šį judėjimą puikiai aprašo Niutono mechanika, atrasta ir skirta Saulėssistemos aprašymui. Tai buvo dar vienas argumentas, kad mes Visatoje niekuoneišsiskiriame.Nėra to blogo, kas neišeina į gerą, ypatingai astronomijoje. Pasirodė, kadstebint dvigubų žvaigždžių judėjimą, jeigu žinomas vidutinis atstumas ikitokios sistemos, galima jas sverti, panašiai kaip tai mes jau darėmesverdami planetas pagal jų palydovų judėjimą, nes ir vienu, ir kitu atvejugalioja ta pati Niutono mechanika ir Keplerio dėsniai. Šiuo metu atstumaiiki kiek tolesnių žvaigždžių ir netgi iki kitų galaktikų yra daugiau armažiau patikimai matuojami labiau rafinuotais metodais, prie kuriųnuodugnesnio nagrinėjimo mes dar grįšime. Profesionalūs astronomai,turintys kad ir ne pačius moderniausius teleskopus, nuolatos atliekakasdieninius svarbius darbus, registruodami žvaigždžių koordinates. Šiojesrityje pasiektas neblogas tikslumas – išmatuojami kampai iki 0.01sekundės. Nuolatos taip tiksliai matuojant žvaigždžių koordinates lengvaaptikti jų judėjimo trajektorijas, kurios aktualios tyrinėjant Galaktikosstruktūrą, o galų gale žvaigždžių fone ir aptikti visokius pašaliniusobjektus – kometas, asteroidus ar meteoroidus. Deja, netgi toks iš pirmožvilgsnio atrodantis visai neblogas tikslumas neleidžia išmatuoti atstumų,didesnių kaip 100 parsekų. Paukščių tako diametras gi yra didesnis negu 30000 parsekų, todėl šio gražaus savo idėja ir labai paparasto metodogalimybės 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 “astronomicalunit” santrumpa) ir sutampantį su vidutiniu Žemės orbitos spinduliu, lygiumaždaug 150 milijonų kilometrų, jau anksčiau apibrėžėme. Deja, mūsųGalaktikos – Paukščių Tako, o tuo labiau Visatos požiūriu tai yra labaismulkus vienetas – šviesa tokį atstumą nuskrieja per 8 minutes.Priimtinesnis yra atstumas, kurį šviesa nuskrieja per metus, vadinamasšviesmečiu, žymimas šm, o anglakalbėje literatūroje – ly (light-year). Jislygus maždaug 1013 kilometrų, kas sudaro 63 240 AV. Kartais dar naudojamasir parsekas pc (parsec), lygus 3.26 šm. Tai yra atstumas, nutolusios kuriuožvaigždės paralakso kampas lygus 1″ (vienai sekundei).Artimiausia Saulės kaimynė yra nutolusi 4.35 šm atstumu, o 16 šviesmečiųspindulio 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, jeiguįmanoma – atstumas iki Žemės, ir dar prieš matuojant spektrą, – josregimasis ryškis. Turbūt akivaizdu, kad tai yra ne tiek stebimos žvaigždėssavybė, kiek charakteristika, iš esmės priklausanti nuo jos padėtiesVisatoje mūsų atžvilgiu ir labiausiai – nuo atstumo. Žvaigždžiųklasifikacijos pagal šią charakteristiką schemą įvedė Hiparchas maždaug 120metų BC. Pagal šią charakteristiką žvaigždės skirstomos į ryškius, kuriųkiekvienas sekantis yra maždaug 2.52 karto mažesnis. Nesunku suskaičiuoti,kad 2.525 ( 100, o tai reiškia, kad šeštojo ryškio žvaigždės atrodoesančios šimtą kartų mažesnio spindesio negu pirmojo ryškio žvaigždės.Akimi geriausiu atveju matomos tik žvaigždės iki šeštojo ryškio. 1850metais ši klasifikacijos sistema buvo modifikuota tiek, kad ji galioja irdabar. Įvestos dešimtosios ir šimtosios ryškių dalys, kurias galima lengvaiišmatuoti fotometrais, tai yra prietaisais, panašiais į tuos, kurieautomatiškai atidaro duris, fotonų sriautą paversdami elektros srove. Labaišviesiems objektams ryškis gali būti ir neigiamas, galioja ta patitaisyklė. Pavyzdžiui, minus ketvirto ryškio šviesulys yra šimtą kartųšviesesnis, 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 žvaigždėscharakteristika. Kad galima būtų palyginti įvairius šviesulius vieną sukitu, naudojamas absoliutusis ryškis, lygus to objekto regimajam ryškiui,jei jis būtų 10 parsekų atstume nuo Žemės. 9.2 Lentelėje pateikti kai kuriųobjektų absoliutieji ryškiai, kurie rodo, kad palyginus su 9.1 Lenteledaug kas kardinaliai pasikeičia.Pilniausiai bet kokį šviesulį galima charakterizuoti spinduliavimogalingumu (spindesiu), tai yra pilna energija, išspinduliuojama visuosespektro diapazonuose per vienetinį laiką. Jei Saulės, kuri spinduliuoja kassekundę 3.83*1033 ergų energiją, spindesį prilyginsime vienetui, taipasirodo, galima surasti žvaigždžių, turinčių kaip milijoną kartų didesnį,taip ir milijoną kartų mažesnį spindesį. Vietoje Saulės patalpinusšviesiausią žvaigždę, Žemėje akimirksniu išgaruotų vandenynai ir ištirptųkalnai, o patalpinus blankiausią – viskas sušaltų į ragą.Kalbėdami apie šviesą jau išsiaiškinome, kad priklausomai nuo žvaigždėstemperatūros jos spinduliavimo maksimumas gali atitikti įvairius bangųilgius, taigi ir įvairias spalvas.Pav. 9.4. Žvaigždžių spalvos.Pagal spalvą, tai yra paviršiaus temperatūrą, žvaigždės skirstomos įspektrines klases. Šių klasių žymėjimai ir apibrėžimai ilgainiui keitėsi,todėl galutinai yra įgavę gana chaotišką ir iš pirmo žvilgsnio nelogiškąpavidalą. 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 AFine Girl/Guy, Kiss Me!” arba dar modernesnio sakinio “Officially, BillAllways Felt Guilty Kissing Monica”. Pirmosios klasės (O) žvaigždės yratos, kurių paviršiaus temperatūra pati didžiausia. Ji gali siekti iki 50000 Celsijaus laipsnių. Tai yra labai šviesios žvaigždės, jų visame dangujematosi tik keleta. B klasės žvaigždės irgi karštos, irgi šviesios, tačiaukiek vėsesnės. Šiai klasesi priklauso nemažai ryškių žvaigždžių, stebimųakimi. Kaip pavyzdį galima nurodyti Rygelį, kurio paviršiaus temperatūralygi 25 000 Celsijaus laipsnių. A klasės žvaigždės yra dar kiek vėsesnės –jos yra baltos spalvos. Tokių žvaigždžių dar daugiau, jų indėlis PaukščiųTako matomumui yra pats didžiausias. Charakteringos šios klasės žvaigždėsyra Sirijus, Vega, Altairas ir Denebas, kurių paviršiaus temperatūra – apie10 000 laipsnių. Geltonai baltos žvaigždės, kiek karštesnės už Saulę,sudaro F klasę. Kaip pavyzdį galima nurodyti Šiaurinę, kurios temperatūralygi 7 500 laipsnių. Saulė ir kitos geltonos spalvos žvaigždės sudaro klasęG; jų paviršiaus temperatūra yra apie 6 000 laipsnių. Dar šaltesnės yraoranžinės spalvos žvaigždės, sudarančios klasę K (temperatūra – nuo 4 000iki 5 000 laipsnių), pavyzdys – gigantas Arktūras. Paskutinė yra vėsiausių,tuo pačiu ir raudoniausių žvaigždžių klasė M. Tarp jų yra supergigantasBetelgeizė, kurio temperatūra – tik 3 100 laipsnių.Tarp šių dviejų svarbių žvaigždės charakteristikų – absoliučiojo ryškio irspalvos – yra surastas įdomus ryšys. Jei nupieštume diagramą, vadinamą josautorių Hercšprungo ir Raselo vardais (sutrumpintai žymima kaip H-Rdiagrama, ji sudaryta 1911-1913 metais), kurios ordinačių ašyje atidėtasžvaigždės šviesis, o abscisių ašyje – jos spalva nuo O iki M klasių, taidauguma stebimų žvaigždžių pasiskirsto diagramoje ne bet kaip, o sugula antjuostos, einančios iš kairiojo viršutiniojo (didžiausias šviesis,aukščiausia spektrinė klasė – O) į dešinįjį apatinįjį kampą (mažiausiasšviesis, spektrinė klasė M). Tokios žvaigždės, vadinamos pagrindinės sekosžvaigždėmis, tenkina paprastą taisyklę – kuo mėlynesnė yra žvaigždė, tuo jiyra ir šviesesnė.Pav. 9.5. Hercšprungo – Raselo diagrama.Atvirai sakant, turint tokius skurdžius duomenis, kaip absoliutusisžvaigždės šviesis ir jos spalva, nepabandyti paieškoti jų sąryšio būtų iršiaip jau buvęs ne pats geriausias sprendimas. HR diagramos svarba yra kiekkitokio pobūdžio. Pabandykime ją išsiaiškinti nagrinėdami lengvai suvokiamąpaprastą atvejį. Įsivaizduokite, kad matuojame kiekvieno įeinančio įauditoriją studento ūgį ir masę. Jei, sukaupę pakankamai duomenų,pabandysime juos susieti diagramoje, kurios x-ašyje atidedama studento masėjos mažėjimo tvarka, o y-ašyje – jo ūgis, tai gauta diagrama bus labaipanaši 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 HRdiagrama? Ką ji rodo? Nesunku suvokti, kad vienintelis dalykas, kurį tadiagrama akivaizdžiai demonstruoja, yra tai, kad visi matuoti yra jauni irbeveik vienodo amžiaus žmonės. Senukams, drambliams arba skruzdėlėms tosdiagramos turėtų atrodyti kiek kitaip. Tai ir yra pagrindinė išvada, kurižvaigždžių 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 vidutinėžvaigždė, jos vieta yra beveik tos diagramos centre. Yra kaip šimtą kartųdidesnės masės, taip ir beveik 12 kartų mažesnės masės žvaigždžių. Labaimasyvios žvaigždės yra labai retos, o labai lengvos, tuo pačiu irraudoniausios – sunkiai aptinkamos.Diagramoje yra dar keleta sričių, kuriose išsidėstę ne pagrindinės sekosžvaigždės – gigantai, supergigantai ir baltosios nykštukės, tačiau norintsuprasti 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, praeitojepaskaitoje, išsiaiškinome, kad žvaigždės vis tik yra skirtingos, ir kartaisnetgi žymiai. Dabar pagaliau atėjo laikas išsiaiškinti, kas jas jungia, irsuprasti to lyg ir begalinio žvaigždžių energijos šaltinio prigimtį.Pamatysime, kokios jos vis tik yra vienodos, besiskiriančios tikpagrindiniu parametru – mase, kuri apsprendžia beveik visas kitas jųsavybes.Saulė, kaip prisimename, yra tipiška vidutinė žvaigždė. Dėl akivaizdžiųpriežasčių ji yra žymiai geriau ištirta už visas kitas žvaigždes, todėlpirmiausia panagrinėsime jos savybes. Tai padės lengviau suvokti ir visųkitų žvaigždžių ypatybes.Saulės vidutinis tankis yra 1.41 gramo į kubinį centimetrą. Tai yra ne kądaugiau už vandens tankį, tačiau Saulė greičiau panašesnė ne į skysčio, o įlabai įkaitusių dujų rutulį. Jos paviršiuje tankis visai mažas, tačiaueinant gilyn jis labai auga ir centre pasiekia reikšmes, dešimtis kartųdidesnes už švino tankį. Vis tik tai yra dujos, nes dėl labai aukštostemperatūros įvairios esančios ten dalelės juda tokiais didžiuliaisgreičiais, kad kokios nors koreliacijos, būdingos skystį arba kietą kūnąsudarančioms dalelėms, pasireikšti negali. Betarpiškai matomas yra tikSaulės paviršius; apie jos vidinę struktūrą galima spręsti tik kombinuojantnetiesioginių eksperimentų ir teorijos rezultatus. Gautos tokiu būdu žiniosyra patikimos, nauja informacija tik patikslina jau turimą.Pirmiausia akivaizdu, kad šis dujų kamuolys kažkaip tai laikosinekolapsuodamas, nesuskildamas ir neišgaruodamas. Yra išsiaiškinta, kadjeigu veiktų tik gravitacinė sąveika, Saulė sukolapsuotų, tai yrasusitrauktų į labai mažą kamuoliuką. Tam priešinasi jau minėta didžiulėvidinių dalelių kinetinė energija, sukelianti efektinę slėgio jėgą,priešingą gravitacinei. Šis balansas, vadinamas hidrostatine pusiausvyra,yra patenkintas kiekviename žvaigždės vidiniame taške; kitaip žvaigždęsudaranti medžiaga tekėtų iš sričių, kuriose jėgos nesubalansuotos, įsritis, kur toks balansas jau susigulėjęs, ir pusiausvyra vistieknusistovėtų.Išoriniuose Saulės sluoksniuose, kur branduolinės reakcijos nevyksta,vandenilio atomai sudaro net iki 90 %, vidiniuose sluoksniuose jo yra kurkas mažiau – apie 73 %. Kaip minėjau, kitą dalį (viduje – apie 25 %) tensudaro helio atomai. Kitų elementų yra tik pėdsakai. Tokia Saulės, kaip irkitų žvaigždžių, sudėtis yra sąlygota jos prigimties ir vykstančiųbranduolinių reakcijų. Sritis, kurioje tos reakcijos vyksta, užima tik apie20 % spindulio. Joje tačiau sukoncentruotas apie trečdalis visos Saulėsmasės, nes būtent toje srityje tankis yra pats didžiausias. Vykstant šiomsreakcijoms, apie kurias dar kalbėsime nuodugniau, išsiskiria daugenergijos, kurios dalis pavirsta reakcijos produktų kinetine energija (iščia ir aukšta temperatūra), o kita dalis išspinduliuojama gama kvantų(didelės energijos fotonų) pavidale. Šie fotonai, daug kartų absorbuoti irvėl išspinduliuoti ir dėl to praradę energiją, pavirtę visai kitų bangųilgių fotonais, galų gale pasiekia Saulės paviršių ir išsisklaido erdvėje,apšviesdami ir mus. Jei kelią, lygų Saulės spinduliui, fotonas vakuumenulekia per 2 sekundes, tai Saulėje tą kelią jis įveikia tik per milijonąmetų. Taigi, jei branduolinės reakcijos Saulėje staiga nutrūktų, mes to darnepajustume milijoną metų! Kaip prisimenate, šis degantis dujų rutulyssukasi, iš jo išlekia ne tik fotonai, bet ir elektringos dalelės,sklindančios į visas puses dideliu greičiu (Saulės vėjas) ir sukamosbesisukančios Saulės magnetinio lauko ir tuo pačiu ją stabdančios.Didžiausia, daug metų neįminta paslaptis, susijusi su Saule, buvo josenergijos šaltinis. Suprasta ji tik šio amžiaus pradžioje, kai Einšteinaspaskelbė savo garsiąją formulę
E = m c2 ,
Paaiškinusią, kad masė gali virsti energija, o energija – mase. Deja, taibuvo tik principinė galimybė, kuri galutinai įgavo prasmę tik suformulavuskvantinę mechaniką (1926 metais). Įsigilinus galima suvokti, kad kaip tikpagal šią formulę suvalgytas maistas oksidacijos reakcijos metu virstaenergija, reikalinga palaikyti kūno temperatūrą ir funkcionuoti visiemsorganams. Minėtos anksčiau maisto virškinimo cheminės reakcijos būtent iryra tokios, kurių metu susidariusio produkto masė yra šiek tiek mažesnė užreaguojančių molekulių masių sumą. Tas skirtumas ir pavirsta energija. Taspats vyksta ir degant malkoms, anglims ar dujoms. Deja, išsiskirianti šiųreakcijų metu energija yra labai maža palyginus su ta, kurią spinduliuojakokia 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 atskleidžiamoskokiu nors specifiniu būdu, masteliai, galima spręsti iš 10.1 Lentelės.Taigi, visa energija, sukaupta medžiagoje, o tiksliau tariant – masėje, yraišties kolosališka, ir netgi daug kartų didesnė už energiją, kurią gaminadegančios žvaigždės. Deja, kol kas ji gaunama tik moderniausiuosegreitintuvuose, kuriuose susiduria dideliu greičiu priešpriešai judantysdalelių ir antidalelių pluoštai. Mūsų stebimoje Visatos dalyjeantimedžiagos labai mažai, bet neperseniausiai vis tik yra užfiksuotaspinduliuotė, bylojanti apie kartais vykstančius elektronų ir jųantidalelių – pozitronų – susidūrimus.Kas gi vyksta žvaigždės viduje? Panašiausias į tiesą scenarijus paskelbtasNobelio premijos laureato fiziko H. Betės darbuose apie 1930 metus. Tai yravadinamasis proton-protoninis ciklas. Jei pamenate, yra nustatyta, kad irSaulė, ir jos planetos yra susidarę iš to paties besisukančio dujų(daugiausia vandenilio) ir dulkių debesies, kuriame atsiradusnehomogeniškumui gravitacinės jėgos pritraukia vis naujus ir naujusvandenilio atomus.Pav. 10.1. Planetiškieji ūkai.Augant tankiui ir jų energijai, atomai pradeda daužytis vienas į kitą irjonizuotis. Šis procesas yra nepusiausvyrinis, kadangi gravitacinei jėgainiekas negali pasipriešinti; todėl ilgainiui tankis ir energija taipišauga, kad bet kokie du protonai įgyja pakankamai energijos nugalėtielektrostatinį atostūmį, atsirandantį dėl krūvio vienodumo. Kai taiatsitinka, suartėjus dviems protonams tiek, kad pradeda veikti branduolinės(stipriosios) jėgos, jie gali sulipti, sudarydami deuterio branduolį.Vienas protonas tokiu atveju pavirsta neutronu; išspinduliuojamaspozitronas ir neutrinas.Pav. 10.2. Proton-protoninis ciklas.Šis deuterio branduolys, susidūręs su trečiuoju protonu, gali pagimdyti darnaują branduolį, sudarytą iš dviejų protonų ir neutrono. Susidūrus šiemsbranduoliams kaip tik ir atsipalaiduoja didžiulė energija, kadangi susidaroalfa dalelė. Jos stabilumas reiškia, kad jos masė yra mažesnė užreaguojančių branduolių ir kitų reakcijos produktų (dviejų protonų) masiųskirtumą. “Sutaupyta” masė, sudaranti 0.007 pradinės masės dalį, virstaenergija, 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 turimųatsargų pakaktų dar tokiam pat laikui. Šį rezultatą galima gautiįvertinus, kad apie 10 % Saulės masės, lygios 2 * 1033 gramų, reaguoja,ir suskaičiavus, kiek energijos ( 0.007 pradinės masės dalis) išsiskiriakiekviename minėtame akte, o taip pat pasirėmus prielaida, kad Saulėspinduliuoja visą laiką tokią pat kaip šiuo metu ( 4 * 1033 ergų persekundę) energiją. Taigi, tai nėra labai grubūs įvertinimai, jie ganapatikimi ir gali įkvėpti optimizmą, kad Saulės energijos, kol žmonės išmoksapsirūpinti kokia nors kitokia, mums turėtų užtekti.Taigi, Saulė yra tipiška vidutinė žvaigždė. Iš vienos pusės tai gerai, betiš kitos nelabai patrauklu, nes jos studijos duoda nelabai dauginformacijos apie tai, kas vyksta kitokiose žvaigždėse ir kas atsitinkavėliau, kai išdega (pavirsta heliu) esantis žvaigždėje vandenilis. Kadangišis procesas yra negrįžtamas, nes jo metu energija išsiskiria, turi kas taiiš esmės pasikeisti tokios žvaigždės evoliucijoje. Teoriniai tyrimai, o irstebėjimai, rodo, kad būtent tai ir įvyksta.Pirmiausia reikia paminėti, kad netgi pradinėje žvaigždės evoliucijosstadijoje, kai deginamas vandenilis, masyvesnėse nei Saulė žvaigždėselygiagrečiai gali vykti dar ir kitas vandenilio virtimo heliu būdas,vadinamasis CNO (anglies – azoto – deguonies) ciklas. Jo metu keturivandenilio branduoliai (protonai) galų gale taip pat pavirsta helio atomobranduoliu (alfa dalele), tačiau šis ciklas yra efektyvesnis, nes angliesbranduoliai dalyvauja kaip katalizatoriai, o azotas ir deguonis – kaipreakcijos produktai. Tai būdinga viršutiniame kairiajame Hercšprungo –Raselo diagramos kampe esančioms didelio ryškio ir masės žvaigždėms, tuotarpu kai pirmasis (proton-protoninis) ciklas labiau savitas dešiniajameapatiniame kampe esančioms, tai yra mažesnio ryškio ir raudonesnėmsžvaigždėms. Įskaitant dar ir visokius tarpinius variantus, nustatyta, kadvisos žvaigždės, esančios pagrindinėje šios diagramos sekoje, yra jaunosžvaigždės, kuriose pirmuoju, antruoju arba abiem ciklais kartu deginamasvandenilis. Kuo masyvesnė žvaigždė, tuo šios reakcijos joje aktyviauvyksta, tuo didesnis jos ryškis, tuo baltesnė (ar mėlynesnė) ji yra.Nustatyta, kad masyviose žvaigždėse šios reakcijos vyksta žymiai greičiaunegu lengvosiose, todėl masyvios žvaigždės greičiau sudega. Saulės degimolaiką gavome lygų apie 10 milijardų metų. Žvaigždės, kurios masė 20 kartųdidesnė, vandenilio deginimo laikas analogiškai vertinant gaunasi tik apie20 milijonų metų. Mažesnėms žvaigždėms jis gali būti žymiai didesnis net iruž 10 milijardų metų. Deja, dėl fizikinio pobūdžio priežasčių negalisusiformuoti nė nepaprastai masyvios, nė itin mažos žvaigždės, nes pirmuojuatveju tai riboja žvaigždės atsiradimo sąlygos (debesies tankis,fluktuacijos dydis ir pan.), kurios negali būti kokios nors iš esmėsbesiskiriančios nuo vidutinių, o antruoju atveju todėl, kad nesukaupusžvaigždei pirmajame etape pakankamai masės, branduolinės reakcijos iš visonegali prasidėti, kaip matyt ir įvyko formuojantis Jupiteriui, kuris savosudėtimi 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 skaičiavimųišdavoje, tačiau egzistuoja ir labai įdomi galimybė pasitikrinti šiasišvadas. Yra surasta nemažai taip vadinamų žvaigždžių spiečių, turinčių nuokelių dešimčių iki šimtų tūkstančių žvaigždžių (nepainioti su galaktikomis,turinčiomis jų milijardus). Žvaigždės, sudarančios tokį spiečių, yrasusiformavę beveik vienu metu iš to paties dujų debesies, skiriasi tik jųmasės. Lengva tokias žvaigždes lyginti, nes jos visos beveik vienodainutolę nuo Žemės ir paklaidos nustatant atstumus, o tuo pačiu irabsoliučiuosius ryškius, tokiu atveju yra minimalios. Akivaizdu, kad minėtateorija yra patvirtinta tokių spiečių stebėjimais.Sudegus vandeniliui, žvaigždė išeina iš pagrindinės sekos. Kokioje sekosvietoje tai atsitinka ir į ką ji nuevoliucionuoja, priklauso vėlgipagrindinai tik nuo žvaigždės masės. Pirmiausia panagrinėkime evoliucijąžvaigždės, kurios masė maždaug lygi Saulės masei, po to atskiraipanagrinėsime kaip masyvesnes, taip ir lengvesnes.Pav. 10.5. Žvaigždžių piramidė.Saulės tipo žvaigždė, kaip ir visos kitos, degdama tolydžio kinta, nesvandeniliui virstant heliu centrinės dalies tankis ir temperatūra auga.Auga ir žvaigždės šviesis, taigi ji lėtai juda diagramoje aukštyn, likdamapagrindinėje sekoje. Pakilusi centre temperatūra labiau įšildo ir išoriniussluoksnius, juose irgi prasideda vandenilio degimo reakcijos. Taip degimosritis tolydžio plečiasi, kol, praėjus po gimimo maždaug 10 milijardų metų,pasiekia artimas žvaigždės išorei sritis, kuriose gravitacijos jėgos jaunebepajėgia priešintis termobranduolinių reakcijų energijai. Tai reiškia,kad dauguma buvusio žvaigždėje vandenilio jau pavirto heliu. Čia labaivykusi man atrodo analogija su krosnimi, į kurią pridėjus kuro degtukuuždegama tik labai nedidelė sritis kur nors netoli pakuros. Ugnis toliaupati žino ką daryti – ji plinta į kraštus, įtraukdama į reakciją vis naujaskuro mases ir versdama jas pelenais. Žvaigždėse tų “pelenų”, kaippamatysime, yra daug rūšių, ir pirmoji jų yra helis. Kaip minėta,termobranduolinių reakcijų sričiai artėjant prie žvaigždės paviršiaus,gravitacinė trauka jau nebepajėgia atsverti slėgio, atsirandančio dėlaukštos temperatūros srities plitimo. Krosnyje taip neatsitinka, nesplitimą sustabdo jos sienelės. Šį energijos perteklių žvaigždės paviršiujegalima kompensuoti tik plečiantis išoriniams sluoksniams ir dėl to jiemsvėstant. Taip ir atsitinka. Žvaigždės spindulys šioje stadijoje gali labaiišaugti – iki 50 kartų. Padidėjus žvaigždės paviršiaus plotui padidėja irjos šviesis (iki 1500 kartų), nors išorinių sluoksnių temperatūra dėlplėtimosi tolydžio krenta. Žvaigždė virsta raudonąja milžine, telpančiadešiniajame viršutiniame HR diagramos kampe.Jeigu žvaigždės masė nedidelė, tuo visos branduolinės reakcijos irpasibaigia. Saulės masės žvaigždei galimas dar vienas šansas sublizgėti –vadinamasis helio blyksnis. Jis įvyksta todėl, kad vandenilio degimoreakcijai plintant į išorę vidiniai sluoksniai, sudaryti iš helio, pradedatrauktis ir šilti, ir besibaigiant vandenilio degimui temperatūra centrepasiekia reikšmes, pakankamas, kad trys helio branduoliai susidūrę įveiktųkuloninį atostūmį ir suartėtų iki atstumų, kai pradeda veikti branduolinėsjėgos. Tada jie virsta anglies atomo branduoliu, turinčiu šešis protonus iršešis neutronus. Po tokios reakcijos produkto masė vėl yra mažesnė užsusiduriančiųjų trijų branduolių, todėl, kaip ir degant vandeniliui,atsipalaiduoja nemažai energijos. Žvaigždė vykstant šiai reakcijai pradedagaminti energiją dar ir antruoju būdu. Saulės masės žvaigždėms tuo visosreakcijos ir pasibaigia, tuo tarpu masyvesnėms vykstant helio degimuicentre gali susidaryti sąlygos, palankios dar sunkesnių branduolių –deguonies, neono, magnio ir toliau iki geležies, sintezei. Kadangi geležis,kaip žinome, turi stabiliausią atomo branduolį, tolesnės branduoliųsintezės reakcijos vykti nebegali, nes jos neapsimoka energetiškai. Jeiguir susidaro koks sunkesnis elementas, tai tik grynai atsitiktinai.Antrą kartą tapusi raudonąja milžine, Saulės tipo žvaigždė degraduoja, nespraranda galimybę gaminti energiją. Ir pirmąjį, ir antrąjį kartąbranduolinių reakcijų zonai priartėjus prie žvaigždės paviršiaus, dalisišorinio sluoksnio nulekia į erdvę, kadangi jo niekas nebelaiko, o kinetinėenergija yra labai didelė. Taip atsitikus antrąjį kartą, žvaigždė pradedapulsuoti, kaskart nusimesdama vis naujus išorinius sluoksnius. Dėl to jipradeda mažėti. Niekas nebesipriešina gravitacinėms jėgoms, tačiau centre,kuris dabar tampa išore, esanti aukšta temperatūra sąlygoja jos baltąspalvą. Tokia žvaigždė tolydžio vėsta ir traukiasi, kol galų gale tampabaltąja nykštuke. Tai yra gana keistas objektas, kurio masė palyginama sužvaigždės, iš kurios ji išsivystė, mase, o spindulys – su Žemės spinduliu.Tai sąlygoja labai didelį jos tankį, pasiekiantį tonų į kubinį centimetrąreikšmes. Baltajai nykštukei tolydžio vėstant keičiasi ir jos spalva. Jitampa raudonąja, po to – rudąja nykštuke ir ilgainiui – visai nematoma.Masyvesnės už Saulę žvaigždės savo kelią pradeda kitoje HR diagramosvietoje, nes jų šviesis yra didesnis, o spalva – mėlynesnė. Jų gyvavimolaikas mažesnis, todėl viskas vyksta daug greičiau. Tokia žvaigždė galipereiti ne dvi, bet keletą raudonosios milžinės fazių, įvykstančiųpasibaigus eiliniam branduoliniam kurui (vandeniliui, heliui, angliai,deguoniui, neonui ir taip toliau). Kiekvieną kartą po tokios fazės jipraranda dalį savo masės. Priklausomai nuo to, kiek masės liko, galimi kelitolesnės evoliucijos išdegus visam branduoliniam kurui, variantai. Jei
lieka mažiau kaip 1.4 Saulės masės, ji, kaip ir Saulė, evoliucionuoja įbaltąją nykštukę. Jei likusi masė didesnė už šią, bet mažesnė už 2 – 3Saulės mases, ji galų gale, po sprogimo, tampa neutronine žvaigžde.Neutroninės žvaigždės atsiranda, kai kolapsuojant žvaigždei elektronas irprotonas gali susispausti taip, kad įvykus specifinei reakcijai iš jųsusidaro neutronas. Atsiradusių neutronų tolesnis suspaudimas tokios masėsžvaigždei neįmanomas, todėl ji ir lieka neutronine žvaigžde. Kaipprisimenate, nei iš dviejų, nei iš trijų ir taip toliau neutronų stabilūsbranduoliai nesusidaro. Neutroninė žvaigždė irgi nėra darinys, panašus įkokio nors elemento branduolį, nes ji laikosi ne dėl stipriosios, o tik dėlgravitacinės sąveikos. Jos savybės dar fantastiškesnės už baltosiosnykštukės savybes, nes diametras sudaro ne daugiau kaip 10 kilometrų, omasė, kaip minėjau, lygi maždaug dviems Saulės masėms. Pabandykitepaskaičiuoti 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, visusfizikos draudimus ir pagrindines taisykles. Ilgą laiką buvo manoma, kad jųiš viso neįmanoma pastebėti, tačiau dabar ši nuomonė jau yra kiek pakitusi.Pav. 10.6. Krabo ūkas – liekana supernovas, kurią kiniečiai užfiksavo 1054metais.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 toksmomentas, kad pirmasis kosminis greitis, tai yra greitis, būtinas įveiktito objekto traukos jėgą, gali pasidaryti didesnis už šviesos greitį. Taiįvyksta, kai objekto spindulys sumažėja iki taip vadinamo Švarcšildospindulio, kuris Saulei lygus 3 kilometrams, Žemei – 9 milimetrams irpanašiai; yra formulė jam suskaičiuoti. Tokiu atveju iš taip susitraukusioobjekto negali “pabėgti” netgi fotonai. Jei taip, tai jokia informacija iškūno, susitraukusio iki šios sferos arba mažesnių matmenų, išeiti į išoręnegali. Tai ir yra juodoji skylė. Logiška galvoti, kad jų tuo pačiunegalima ir aptikti, tačiau tai nėra visai teisinga. Pasirodo, toksobjektas, turintis didelę masę, gali pasireikšti iškreipdamas apie saveerdvę. Jei jis būtų vienas iš dvinarės žvaigždės narių, tai antrojo objekto– matomosios žvaigždės judėjimo pobūdis gali stipriai pasikeisti. Stebinttokios žvaigždės judėjimą, galima identifikuoti jos partnerę. Juodoji skylėgali taip pat iškraipyti praskriejančius pro šalį fotonus, tai irgi galipadėti ją aptikti.Tuo ir galima būtų baigti žvaigždžių gyvenimo apžvalgą. Visatoje yrastebimos praktiškai visos minėtos vystymosi fazės, pradedant gimimu iš dujųir dulkių debesies ir baigiant juodaja skyle. Matomi ir dar įdomesniprocesai, kai evoliucionuojant žvaigždžių poros nariams jie pradeda įtakotivienas kitą ne tik gravitacinėmis jėgomis, bet ir betarpiškai. Materijagali tekėti iš vienos žvaigždės į kitą, ir buvusi blyški nykštukė galitapti ryškia žvaigžde, vadinama nova. Po kiek laiko, jai sudegus, galivykti atvirkščias procesas, ir taip toliau. Taigi žvaigždės tarsi gyvena,bendradarbiauja, kaip kokios firmos, vienos bankrutuodamos, kitos – jųsąskaita išsiplėsdamos, ir šiaip patirdamos visokius kitokiusnetikėčiausius 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 mažiautolygiai išbarstytos begalinėje Visatoje. Su tokiu įvaizdžiu silpnaiderinosi tai, ką galima pamatyti giedrią naktį pakėlus žvilgsnį nuo žemės.Lengvai pastebima, kad daugiausia žvaigždžių yra išsidėstę gana siaurojenetaisyklingos formos juostoje, einančioje išilgai dangaus skliauto.Senovės romėnai ją vadino Via Lactea (panašiai skamba ir panašios kilmėsyra ir pats žodis “Galaktika”, graikų kalboje galaktikos reiškia pienišką,pieninį), anglakalbėje literatūroje ji identifikuojama kaip Milky Way, mesvėlgi turime originalų ir gana vykusį pavadinimą – Paukščių Takas. Benepirmajam, kiek žinoma, tai parūpo išsiaiškinti Tomui Raitui (1711 – 1786).1750 metais jis atspausdino knygą, kurios pavadinimas užimtų per daugvietos, todėl nesiryžtu jo versti. Svarbu tai, kad ji buvo skirta Visatosmodeliui, galinčiam paaiškinti Paukščių Tako buvimą. Autorius teigė, kadžvaigždės, panašiai kaip planetos, juda apie kažkokį tolimą centrąapskritiminėmis orbitomis, esančiomis maždaug toje pat plokštumoje, labaipanašiai kaip planetos apie Saulę. Imanuelis Kantas (1724 – 1804), kuriosenelis iš Priekulės savo laiku persikėlė į Karaliaučių beveik visainemokėdamas vokiškai, tuo metu dirbęs gamtos ir matematikos mokytoju, išlaikraščio sužinojęs apie šią knygą, susidomėjo astronomija ir pašventė jaikeleta metų. Jo knygoje “Visuotinė dangaus istorija ir teorija”, skelbtoje1755 metais, galima rasti daug dar ir šiandien vertingų minčių, kuriosprofesionalių astronomų ilgą laiką buvo ignoruojamos. Kanto samprotavimaiparemti griežta logika. Jis pradeda nagrinėjimą nuo to, kad kaip Saulėssistema, taip ir galaktika, kuri tuo metu buvo tapatinama su Visata, yraatsiradusios veikiant tai pačiai gravitacinei sąveikai. Dėl šiospriežasties jų panašumas ne tik kad neturėtų stebinti; greičiau būtųkeista, jei jo nebūtų. Taip samprotaujant nesunkiai seka jau minėta išvada,kad žvaigždės gali suktis apie kokį nors centrą apskritiminėmis arbaelipsinėmis orbitomis. Toliau Kantas netgi drįso prognozuoti, kaip atrodytųši žvaigždžių sistema žiūrint iš šono. Taigi, jei žiūrime statmenaisukimosi plokštumai, ji turėtų atrodyti kaip skritulys, o iš šono,- kaipelipsė. Toliau jis teigė dar daugiau: kadangi žvaigždės išsidėstę retai,tai toks darinys, žiūrint iš didelio atstumo, kai neįmanoma atskirtižvaigždžių, turi atrodyti kaip nelabai šviesus beveik vienodo ryškiodiskas. Toliau jis teigė, kad panašūs žvaigždžių dariniai yra astronomųmatomi kaip ūkai – nedidelės šviečiančios dėmės. Šie Kanto teiginiaistebėtinai tikslūs, tačiau tik po šimto metų, sukonstravus spektroskopą irrūpestingai juo patyrinėjus žvaigždes ir ūkus, surasta, kad spiraliniaiūkai turi tokio pat tipo spektrus, kaip ir žvaigždės, tuo tarpu kai dujųūkų, kurie gana dažni mūsų galaktikoje, spektrai buvo sudaryti iš atskirųlinijų. Taigi, Kantas pirmasis suprato astronominės Visatos, kaip sujungtųtraukos jėga sistemų visumos, struktūrą, kuri profesionalams dėl tvirtainustatytų eksperimentinių faktų trūkumo buvo neaiški iki pat 20 amžiauspradžios.Pav. 11.1. Paukščių Tako struktūra.Šiandien apie mūsų Galaktiką (skirtingai nuo kitų pavadinimas rašomas išdidžiosios raidės) – Paukščių Taką, žinoma labai daug. Tai yra vienadidžiausių ir gražiausių iš visų stebėtų galaktikų. Ją sudaro apie 400milijardų 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 PaukščiųTako sukeltos potvynio jėgos ardo ir susiurbia.Tipiškas žvaigždžių tankis Saulės kaimynystėje yra apie 20 žvaigždžių įkubinį parseką. Visumoje Paukščių Takas panašus į sudėtus vieną ant kito duCD 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 savošeimos priklausiniais sukasi apie Galaktikos centrą nutolusi nuo jo maždaug8.5 Kpc atstumu, apsukdama pilną ratą per 210-250 milijonų metų. Taigi, pervisą savo gyvenimą Saulė yra padariusi ne ką daugiau kaip 20 apsisukimų.Šviesa nuo vieno Paukščių Tako pakraščio iki kito sklinda apie 130 000metų, todėl verta bent trumpai pasiaiškinti, kaip galima išmatuoti tokiusatstumus, nes jokie anksčiau minėti metodai šiuo atveju nebetinka.Principas, kuriuo paremti šie matavimai, taip pat yra gana paprastas. Kaipprisimenate, jei žinomas kokio nors šviesulio absoliutusis ryškis, tai yrakiek ir kokių fotonų jis išspinduliuoja per vienetinį laiką, ir žinomas joregimasis ryškis, tai yra kiek tų fotonų per vienetinį laiką krenta į plotovienetą Žemėje, tai galima surasti atstumą iki to šviesulio, nes tiefotonai toldami nuo šaltinio pasiskirsto vis didesnėje ir didesnėjesferoje, kurios spindulys lygus fotonų sklidimo laikui, padaugintam iššviesos greičio. Svarbiausias čia, be jokių abejonių, yra absoliutusisryškis, nes matomąjį galima lengvai užfiksuoti nieko per daugneišradinėjant. Kaip surasti jį? Prisiminkime HR diagramą. Jeigu galimanustatyti, kad žvaigždė priklauso pagrindinei sekai, tada jos absoliutusisryškis yra labai paprastai, beveik tiesiai proporcingai, surištas suspalva. Spalvą gi galima identifikuoti praktiškai bet kokiu atstumuesantiems objektams, po to pagal ją iš diagramos nustatę absoliutųjį ryškįkartu lengvai surandame ir atstumą.Laimei, tai yra ne vienintelis metodas matuoti atstumams iki tolimųžvaigždžių. Galima dar pasinaudoti ir gana specifinėmis kai kuriųžvaigždžių savybėmis. Jei prisimenate, pasibaigus žvaigždės branduolinėmsreakcijoms ji tampa milžine ir po to gali dar kurį laiką pulsuoti,nusimesdama atvėsusius paviršinius sluoksnius, vėl sublizgėdama ir taiptoliau. Tokių pulsacijų periodai yra patys įvairiausi, pradedant nuo dienosdalių ir baigiant poros metų ilgiu. Šios žvaigždės vadinamos cefeidėmis(šis pavadinimas kilo pagal prototipą, kadangi pirmoji, daraštuonioliktajame amžiuje pastebėta tokio tipo žvaigždė priklausė Cefėjausžvaigždynui), turi absoliutųjį šviesį, koreliuotą su pulsacijų periodu.Patyrinėjus tokias žvaigždes Magelano Debesyse, tai yra artimosiosenedidelėse galaktikose, kur visos esančios žvaigždės yra beveik vienodainutolę nuo Žemės, šis ryšys ir buvo nustatytas. Kadangi cefeidės yragigantiškos žvaigždės, jų ryškis yra didelis, jos gali būti pastebėtos išdidelių atstumų, ir pulsavimo periodas vėlgi lengvai išmatuojamas, tai šisatstumų matavimo metodas pasirodė esąs labai efektingas.Kaip matome, netgi tokiems didžiuliams atstumams matuoti surasta įdomių irrafinuotų būdų, žmogaus proto galia yra išties įspūdinga.Žiūrėdami į tankią žvaigždžių juostą, tą patį Paukščių Taką, lengvai galimesuvokti, kad Saulės sistema randasi Galaktikos diske. Ne taip paprastanustatyti, kokioje būtent vietoje, kaip toli nuo centro ar pakraščio mesesame. Pirmoji idėja surasti Galaktikos centrą buvo paremta tuo, kadcentras tam ir yra centras, kad jame būtų daugiau negu kur nors kituržvaigždžių. Pirmieji, atlikti 1917 metais Šarpli, matavimai parodė, kadGalaktikos centras yra nuo mūsų keletos Kpc atstume.Kita idėja buvo paremta žvaigždžių sukimosi apie Galaktikos centrąsantykinių greičių matavimais. Juos nustačius nesunku sužinoti, apie kokįtašką tos žvaigždės sukasi. Tokiu būdu buvo surasta, kad šis atstumas yrakiek mažesnis nei 10 Kpc. Tobulėjant matavimų kokybei, dabar apsistota priejau 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 beveikkieto kūno sukimosi taisykles, tai yra objektai, labiau nutolę nuo centro,kaip karusėlėje, juda didesniu linijiniu greičiu, taip kad santykinisesančių Galaktikos branduolyje žvaigždžių judėjimas viena kitos atžvilgiuyra nežymus. Disko žvaigždžių judėjimo pobūdis yra kiek kitoks. Kadangi jųsąveika silpna, labiau nuo centro nutolę žvaigždės juda lėčiau, panašiaikaip 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, galimagauti pirmąjį įvertinimą. Jis, aišku, nėra labai tikslus, nes žvaigždėspasiskirstę ne homogeniškai, jų tankis įvairiuose taškuose yra skirtingas.Geresnė yra idėja, kad pakraščio žvaigždėms, judančioms pagal Kepleriodėsnius, galioja tie patys sąryšiai, kaip planetoms, pagal kurių judėjimopobūdį matavome Saulės (šiuo atveju galime matuoti Galaktikos branduolio)masę. Šiuo būdu gaunamas rezultatas, kiek mažesnis už realų, nes Saulėsjudėjimą įtakoja tik jos orbitos viduje esančios žvaigždės.Baigiant piešti Paukščių Tako portretą, reikia paminėti ir tarpžvaigždinęaplinką. Daug kur pasebėti tankūs dujų ir dulkių debesys, užpildantys erdvętarp žvaigždžių. Nustatyta, kad jie sudaro apie 10 – 15 % Galaktikos diskomasės. Žvaigždžių šviesa, plintanti per tokią aplinką, tampa blausesnė arbayra beveik visai sugeriama. Šis reiškinys vadinamas tarpžvaigždineekstinkcija. Kaip jau anksčiau išnagrinėjome kalbėdami apie Saulės šviesosplitimą atmosferoje, raudona šviesa tokiu atveju praeina geriau negumėlyna, todėl tolimesnės žvaigždės atrodo raudonesnės, negu yra iš tikrųjų.Jei į šį reiškinį deramai neatsižvelgiama, jis kiek iškraipo minėtųmatavimų rezultatus. Patys debesys, kurie daugumoje yra ne kas kita, oatliekos, atsirandančios galutinai sudegus ir gal susprogus senomsžvaigždėms, yra kartu ir labia svarbi žaliava susidaryti naujomsžvaigždėms. Taigi, jų rolę formuojantis vis naujoms ir naujoms žvaigždėmssunku pervertinti. Jie yra labia svarbi Galaktikos sudėtinė dalis.Tik prieš keletą dešimtmečių pagaliau yra susiformavęs ir šiuolaikinisPaukščių Tako įvaizdis. Tai yra spiralinė galaktika, kadangi minėtosspiralinės vijos, nutįstančios į visas puses, turi panašumą į spyruoklę.Vijų buvimas nereiškia, kad žvaigždės tik jose ir išsidėstę; pakankamaidaug žvaigždžių yra ir srityse tarp vijų, tik kiek skiriasi jų kokybė.Priežastis ta, kad vijos yra būtent tos sritys, kuriose yra daugiausiatarpžvaigždinių dujų ir dulkių, todėl būtent jose yra daugiausia didelioryškio jaunų O ir B klasės žvaigždžių. Srityse tarp vijų randasi senesnės,ne tokios ryškios žvaigždės, todėl, nors jų ir daug, minėta spiralinėstruktūra lengvai pastebima.Paslaptingiausia Paukščių Tako sritis, be jokios abejonės, yra jo centras,kuriame randasi dauguma žvaigždžių, o jos stebėjimas labiausiai apsunkintasminėtų dujų ir dulkių debesų. Vis tik nustatyta, kad jį sudaro sąlyginaisenos ir nedidelio šviesio žvaigždės. Dėl tarpžvaigždinės ekstinkcijos šiossrities stebėjimas matomos šviesos diapazone yra apsunkintas, tačiauinfraraudonųjų arba radio bangų diapazonuose jis yra visai pakenčiamas. Šiestebėjimai rodo, kad Galaktikos centre vyksta išties keisti įvykiai.Nustatytas žymus turbulentinis debesų judėjimas centro aplinkoje, o taippat didelės masės, dideliu greičiu besiveržiančios į išorę. Iš kitos pusės,centre surastas kažkoks paslaptingas objektas, spinduliuojantis nenormaliaidaug rentgeno spindulių. Jis yra maždaug vieno parseko diametro, tačiau jomasė vertinama kaip lygi milijonui Saulės masių, nes besisukantysartimiausioje jo aplinkoje debesys, senos šaltos žvaigždės ir kiti kūnaijuda beveik pagal Keplerio dėsnius. Tai yra arba koks tai naujo tipoobjektas, arba, kas labiausiai tikėtina, didelė juodoji skylė, ryjanti išaplinkos didžiuliu greičiu mases ir todėl taip intensyviai spinduliuojanti.Tai, kas minėta, irgi dar ne viskas. Pastaruoju metu aktyviai diskutuojamasGalaktikos halo (tamsiojo vainiko) klausimas. Kai kurie matavimai rodo, kadnemaža, o gal ir žymi (ekstremistai ją vertina iki 90 %) dalis galaktikųmasės yra sukoncentruota ne diske ar centre, o jų išorėje, kuri PaukščiųTakui galėtų būti išplitusi į visas puses iki 100 Kpc diametro. Būtent taiir vadinama halo, būtent šios srities savybių tyrimas yra viena įdomesniųšiuolaikinių astrofizikos problemų.Dar iki antrojo mūsų amžiaus dešimtmečio buvo manoma, kad Paukščių Takasyra vienintelė struktūra astronominėje visatoje, o stebimi ūkai yra josudėtinės dalys. Gali būti, kad čia vėl pasireiškė amžinas žmonijos norasbent kuo išsiskirti Visatoje, kuriam niekaip nelemta išsipildyti. Kaipmatėme, nei Lietuva, nei Žemė, nei Saulė niekuo neišsiskiria tarp kitųpanašių objektų. Tas pats ir su mūsų Galaktika. Blankūs neaiškios formosobjektai, išbarstyti šen bei ten erdvėje, kai kurie matomi plika akimi,pasirodė esą ne Paukščių Tako sudedamosios dalys, o esantys labai toli užGalaktikos 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 apskaičiavęsatstumus ir šį ūką “pavertęs” galaktika.Po šio atradimo Hablas pradėjo labai sistemingas galaktikų paieškas irstudijas. Reikia pastebėti, kad Hablas, kaip ir savo laiku Galilėjus,turėjo unikalų savo laikmečiui teleskopą. Tai buvo Maunt Vilsonobservatorijos 100 colių teleskopas, didesnio diametro už tą, kuris veikiaMolėtų observatorijoje. Protingas mokslininkas, turintis unikalų prietaisą,gali nugriauti kalnus! Taip įvyko ne tik šiuos du kartus, yra ir kitųpanašių atvejų, tik ne taip tiesiogiai surištų su astronomija.Pirmiausia Hablas nustatė, kad galaktikos grubiai gali būti suskirstytos įdvi dideles klases – eliptines ir spiralines galaktikas. Pirmąsias jispažymėjo raide E ir vienu sveiku skaičiumi, rodančiu galaktikos ištęstumolaipsnį: E0 reiškia visiškai sferišką, o E7 – suplotą kaip diskasgalaktiką. Spiralinės galaktikos žymimos raide S.Pav. 11.2. Keleta spiralinių galaktikų.Toliau jos skyla į dvi klases – pirmąją (S) su normaliomis vijomis, kurituri dar tris tipus – Sa, Sb ir Sc pagal savo branduolio dydį mažėjimotvarka, ir antrąją klasę – su skerse (SB – spiral galaxie with barredspirals) 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. Nedideliskiekis galaktikų netilpo į jokias klases, jos klasifikuojamos kaipnereguliarios I arba II tipo galaktikos, žymimos Ir I arba Ir II(Irregulars). Kaip tyčia, dvi artimiausios galaktikos – Didysis ir MažasisMagelano Debesys yra būtent netaisyklingosios, Ir I tipo.Pav. 11.4. Netaisyklingosios galaktikos.Ryškiausioji mūsų galaktikų grupei priklausanti galaktika – Andromedosgalaktika – yra panaši į Paukščių Taką, tai yra Sb tipo galaktika, tik kiekdidesnė.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 cefeidesdarosi jau nebeįmanoma, todėl buvo sugalvoti dar rafinuotesni atstumųmatavimo būdai. Pirmasis paremtas tuo, kad pačios šviesiausios žvaigždėsyra vienodos visose galaktikose, nes, kaip ir visų žvaigždžių, taip ir jų,švytėjimas paremtas tais pačiais fizikos dėsniais ir procesais, turinčiaisnatūralias galingumo ribas. Tokios žvaigždės yra žymiai ryškesnės užcefeides, todėl jas galima išskirti galaktikose, nutolusiose iki dešimčiųMpc. Kai ir šito nebeužtenka, tenka griebtis dar egzotiškesnių objektų –supernovų, tai yra sprogstančių pasenusių žvaigždžių, kurių ryškis galibūti dar didesnis. Deja, tai yra reti įvykiai, ir ne visose galaktikose jiestebėjimo momentu vyksta. Paskutinis tokio tipo būdas itin dideliemsatstumams matuoti paremtas idėja, kad galaktikų spiečiuose ryškiausiosgalaktikos turėtų būti panašaus galingumo. Suradus tokias, galima bent jaupalyginti atstumus iki atskirų spiečių.Šiuo metu yra neblogai ištyrinėtos įvairiausių galaktikų, kurių yranesuskaičiuojama daugybė, savybės. Galaktika, kaip matėme, yra vienas išesminių Visatos struktūros elementų. Pačios galaktikos, kaip pastebėta,linkę jungtis, kaip ir žvaigždės, į grupes, vadinamas spiečiais. Spiečiaisavo ruožtu sudaro superspiečius, o visa stambioji Visatos struktūra atrodopanaši į kempinę ar muilo putas, tai yra struktūras, turinčias vidujesferines tuštumas iki 100 Mpc diametro. Susidaro įspūdis, lyg tai tųtuštumų 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 išŽemės specifika, pasireiškianti tuo, kad dujų ir dulkių debesys,sukoncentruoti Galaktikos disko aplinkoje, labai absorbuoja sklindančiąšviesą. 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 tikremiantis analogijomis. Kadangi mūsų Galaktika niekuo neišsiskiria, taineturėtų būti kokių nors netikėtumų, nes ji negali ženkliai įtakoti visosVisatos savybių. Ryškiausios Vietinės grupės galaktikos yra jau žinomasAndromedos Ūkas ir Paukščių Takas. Atstumas iki Andromedos Ūko įvertintasapie 700 Kpc. Abu Magelano debesys, matomi iš pietų pusrutulio, todėlpirmiausia pastebėti Magelano ekspedicijos keliauninkų, yra Paukščių Takopalydovai, esantys tarp 50 ir 65 Kpc atstumuose. Andromedos ūkas yratolimiausias objektas, matomas plika akimi.Svarbiausia išvada, kurią galima padaryti iš Hablo ir vėlesnių galaktikųpasiskirstymo Visatoje stebėjimų, yra ta, kad bet kokia matomosios Visatosdalis yra tokia pati kaip kitos ir jokios galaktikų supersistemos,atskirtos nuo likusio pasaulio, neegzistuoja. Matyt, toks pat neunikalusyra 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 nuomažiausių ir baigiant didžiausiais jos dariniais, jei pastebėjote, juda irevoliucionuoja. Nėra nė vieno sustingusio arba sustabarėjusio, vieną kartąvisiems laikams pagaminto, užvesto ir paleisto, arba tuo labiau nuolatosvaromo ar raginamo judėti objekto. Judėjimas yra natūrali šios sistemosbūsena. Jeigu pabandytume sustabdyti ir užfiksuoti planetas, žvaigždes argalaktikas, jas laikyti rimties būsenoje reikėtų neįsivaizduojamų pastangų,o paleistos jos vėl pradėtų judėti kaip judėję. Šio judėjimo “variklis” yragravitacinė 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 sistemospobūdžio ar dydžio ir kitų sąveikų bei įvairių virsmų buvimo gali sukeltiįvairiausio pobūdžio judėjimus. Pavyzdžiui, ji suspaudžia materiją įjuodąją skylę, išlaiko neutronus neutroninėje ir atomų branduoliusdegančioje žvaigždėje, fiksuoja planetas jų orbitose, valdo žvaigždžiųjudėjimus galaktikose bei chaotišką galaktikų judėjimą galaktikųspiečiuose. Yra tačiau dar vienas, bene mažiausiai lauktas, nei graikų, neiKanto nenuspėtas ir niekaip iš šventųjų raštų neišprotaujamas galaktikųjudėjimo pobūdis, surastas E.Hablo 1929 metais. Tai – nuolatinis Visatosplėtimasis.Jei atsimenate, Doplerio efektas teigia, kad judančio šaltinio spektras,priklausomai nuo judėjimo imtuvo atžvilgiu krypties, gali būti pastumtas įraudonąją, jei atstumas didėja, ir mėlynąją, jei jis mažėja, pusę. Po to,kai Hablas suklasifikavo galaktikas pagal jų išvaizdą, jis pradėjo matuotiir tyrinėti jų spektrus. Pasirodė, kad beveik visų galaktikų spektraipasistūmę į vieną ar kitą pusę. Daugumos tie poslinkiai buvo raudonieji,tik vienos – kitos galaktikos – mėlynieji. Kaupiantis statistikai pradėjoryškėti, kad mėlynieji poslinkiai būdingi tik pačioms šviesiausioms, taigiir artimiausioms, priklausančioms Artimąjai Grupei, galaktikoms, ir galibūti beveik pilnai paaiškinti Saulės judėjimu apie Paukščių Tako centrą.Visų kitų galaktikų spektrai turėjo būdingus raudonuosius poslinkius, taiyra jos tolo nuo Žemės! Žemė arba bent jau Saulė, ar galų gale PaukščiųTakas vėl tapo Visatos centru? Deja, ne. Pabandykime tai išsiaiškinti.Patys raudonieji poslinkiai dar nieko per daug nereiškė. Jie kai kuriomsgalaktikoms buvo išmatuoti dar prieš Hablą. Nauja buvo tai, kad Hablas,įvertinęs pagal cefeidžių ryškius, supernovas arba ryškiausias žvaigždesdar ir atstumus iki atitinkamų galaktikų bei nusibraižęs grafiką, kuriovienoje ašyje buvo atidėti šie atstumai, o kitoje – raudonieji poslinkiaiarba proporcingi jiems galaktikų judėjimo greičiai, pamatė, kad stebėtosgalaktikos grafike, panašiai kaip ir Hercšprungo – Rasselio diagramoje,sugulė beveik tiksliai ant tiesės. Antrą kartą skurdi informacija apieVisatą pasitarnavo gilioms išvadoms.Pav. 12.1. Hablo diagrama.Šį kartą tai reiškė, kad galaktikos tolimo nuo mūsų greitis yra tiesiogproporcingas jos atstumui nuo Žemės (Saulės ar gal ir Paukščių Tako, nesatstumai tarp galaktikų tokie dideli, kad šie smulkūs skirtumai jokiosrolės 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 beveiktolygiai išsidėstę Visatoje. Šis įrodymas paremtas tokia gražia ir taiplengvai patikrinama idėja, kad tiesiog negaliu apeiti jo nepaminėjęs.Tarkime, kad visos galaktikos yra visiškai vienodos, ir jų spindesiai lygūsL, o jų skaičius įsivaizduojamame rutulyje, kurio spindulys R, yra lygus N.Kadangi to rutulio tūris yra V = 4/3(R3 , tai galaktikų, esančių tamerutulyje, tankis yra ( = N/V.
Pabandykime panagrinėti, kokios išvados galėtų sekti iš prielaidos, kad šistankis yra pastovus visur Visatoje. Tarkime, turime prietaisą, kuriominimalus 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 visomiskryptimis, 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 jischarakterizuoja stebėjimo prietaisą. Kokios bebūtų tos galaktikos,charakterizuojamos spindesiu L, kokiu tankiu ( jos bebūtų pasiskirstęerdvėje ir netgi kokiame erdviniame kampe beatliktume stebėjimus, vistiekaptinkamų 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 būtųketuris kartus mažesnis už ankstesnįjį, turėtume toje pačioje erdvėssrityje pamatyti aštuonis kartus daugiau galaktikų, kadangi (l/4)-3/2=8*l-3/2. Eksperimentai šią išvadą nuolatos patvirtina, o tai reiškia, kadVisata visur yra tokia pati, ir plečiant regėjimo lauką nematoma nei kokianors jos pabaiga, nei kokia nors riba, nei kokie bebūtų nehomogeniškumai.Kaip tai suderinama su jos nuolatiniu plėtimusi?Sugalvota keleta itin vaizdžių analogijų, padedančių išsiaiškinti Visatosplėtimosi, nepažeidžiančio išvados apie jos homogeniškumą, ypatybes. Patipatraukliausia atrodo Visatos analogija su mielinės tešlos, kuriojetolygiai pasiskirstę razinos, augimo procesu.Pav. 12.2. Mielinės tešlos su razinomis augimo dinamika.Tarkime, kad iš pradžių visos razinos išdėstytos tešloje 1 centimetrokubelių viršūnėse, tai yra taip, kad mažiausias atstumas tarp bet kokiųdviejų razinų lygus 1 centimetrui. Įsivaizduokite, kas darosi tešlai povalandos 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 taiptoliau. Tai reiškia, kad tokioje tešloje atstumas tarp bet kokių dviejųrazinų po valandos padvigubėja, tai yra jų tarpusavio judėjimo greitisproporcingas atstumui tarp jų! Dar daugiau, tas pats vaizdas matosi žiūrintiš bet kurios razinos, visos kitos tolsta nuo pastarosios pagal tą patįdėsnį. Tešla visą laiką yra homogeninė, tik jos tankis tolydžio mažėja.Įsivaizduokime dabar, kad razinas sutapatiname su galaktikomis. Gaunasiišvados, neprieštaraujančios jokių stebėjimų rezultatams. Jokia galaktikanegali būti Visatos centras, iš visų jų matosi tas pats vaizdas, – visoskitos tolsta greičiais, proporcingais atstumams. Tik tokio judėjimo metuVisata visą laiką yra homogeninė ir surasti jos centro neįmanoma. Taigi,mes vėl atsiduriame toli gražu ne Visatos centre. Daug tyrinėtojų po Habloįvairiausiais teleskopais tyrinėjo vis tolesnes ir tolesnes galaktikas.Šiuo metu jau ištyrinėta Visatos sritis, kurios tūris šimtus milijonų kartųdidesnis už Hablo ištyrinėtos srities tūrį. Surastieji lokaliniainetolygumai kiek paįvairina bendrą įspūdį apie Visatą, tačiau jokiopagrindo tikėtis kokių nors išimčių iš šio dėsnio nerasta – visų tolimesniųgalaktikų judėjimo greičiai proporcingi atstumams iki jų.Bėgant laikui dramatiškai keitėsi tik Hablo konstantos vertė. Kad Hablokonstanta būtų išreiškiama paprastai suvokiamu dydžiu, be dešimčiųįvairiausiuose dideliuose laipsniuose, ji matuojama kilometrų per sekundęvienam megaparsekui vienetais, nors kilometrai, kaip ir parsekai, yra ilgiovienetai ir parinkus vienodą mastelį (pavyzdžiui, parsekus išreiškuskilometrais) galėtų susiprastinti. Pats Hablas 1929 metais, kai labaiapytikriai buvo išmatuoti atstumai tik iki 22 arčiausiųjų galaktikų ar jųgrupių, įvertino, kad ji lygi 540, tuo tarpu šiuo metu dar kiekdiskutuojama, ar jos reikšmė artimesnė 50, ar 100. Tokia didelė Hablomatavimų paklaida paaiškinama žemu tų laikų tikslumu nustatant standartiniųžvakių (cefeidžių, supernovų arba ryškiausių galaktikų žvaigždžių) šviesiusir kalibruojant atstumus. Kaip matote, dar ir dabar tai yra nemažaproblema, nes tikimos vertės skiriasi du kartus. Tarkime, Hablo konstantalygi 75 km per sekundę / Mpc. Tai reiškia, kad galaktika, esanti nuoPaukščių 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 supratimąapie Visatos istoriją o gal net ir jos prigimtį. Jeigu Visata šiuo metuplečiasi, tai reiškia, kad anksčiau ji buvo mažesnių matmenų. Toliau galimidu scenarijai. Vienas – kad ji pulsuoja apie kažkokią pusiausvyros padėtį,ir antras – kad ji plečiasi nuo pat savo gimimo. Jei pastarasis scenarijusbūtų įtikėtinas, tai leidus, kad Visata visą tą laiką plečiasi vienodu, tuopačiu kaip dabar, greičiu, jos gyvavimo laiką galima lengvai išreikšti perHablo 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 charakterizuotiVisatos plėtimosi laiką. Būtent tik charakterizuoti, nes jei Visata plėtėsiiš taško (ar taškų), tai pradiniais momentais jos plėtimosi greitis turėjobūti žymiai didesnis, o gyvavimo laikas – trumpesnis už gaunamą iš šiosformulės.Mūsų priimtai Hablo konstantos vertei, lygiai 75 km per sekundę / Mpc,Visatos amžius gaunasi lygus 4.6(1017 sekundžių arba apie 15 milijardųmetų. Ši vertė ne tik labai artima visai neseniai dar kartą patikslintamVisatos amžiui, dabar jau lygiam 13.7 milijardo metų, bet ir neprieštaraujažinomam Saulės amžiui, lygiam 4.5 milijardo metų, arba seniausiųjų spiečiųamžiui, sudarančiam maždaug nuo 12 iki 18 milijardų metų. Didesnės Hablokonstantos vertės nesiderina su šiais duomenimis. Pavyzdžiui, pradinėvertė, lygi 540, duoda Visatos amžių, mažesnį nei 2 milijardus metų, kurisakivaizdžiai prieštarauja minėtiems duomenims.Tiksli Hablo konstantos vertė, jei ji žinoma, taip pat gali būtipanaudojama surasti atstumams iki galaktikų pagal jų raudonuosiusposlinkius, kuriuos matuoti nėra labai sudėtinga. Tai būtų vienas iš pačiųefektingiausių 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 DidžiojoSprogimo scenarijumi. Nežiūrint viso keistumo, jis nelabai prieštarauja neikvantinei mechanikai, nei reliatyvumo teorijai. Dar daugiau – yra surastasvadinamasis reliktinis spinduliavimas, kuris patvirtina šią hipotezę.Vėliau šį scenarijų panagrinėsime kiek nuodugniau, dabar pabandykimesusigaudyti reliktiniame spinduliavime. Jeigu Visata kažkada užėmė labaimažą tūrį ir sugebėjo išplisti iki dabartinių matmenų, tai ji pradiniaismomentais turėjo būti labai karšta. Kūno temperatūra, kaip žinote, reiškiadidelę jį sudarančių dalelių kinetinę energiją. Grubiai tariant, energijair 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 kitąsužadinti. Sužadintos dalelės, grįždamos į normalią būseną, spinduliuojafotonus. Kuo didesnė dalelių energija, tuo didesnė ir spinduliuojamų fotonųenergija, tuo trumpesnis tuos fotonus atitinkančios bangos ilgis. Taireiškia, kad pradinėje Visatos evoliucijos fazėje ji spinduliavotrumpiausias elektromagnetines bangas, gama-kvantus. Plečiantis ir dėl tovėstant Visatai, spinduliuojamų fotonų bangų ilgiai turi tolydžio didėti, oenergijos – mažėti, tačiau toks spinduliavimas visiškai išnykti negali.Taigi, jis turi egzistuoti ir dabar, atitikdamas realią Visatostemperatūrą, esančią šiuo metu. Šis spinduliavimas gerai ištyrinėtasteoriškai, jis turėtų sklisti visiškai vienodai iš visų Visatos taškų, o jospektras (intensyvumo priklausomybė nuo fotono bangos ilgio) turėtų turėtiteorijos vienareikšmiškai nusakomą formą. Remdamasis šiais samprotavimais,G. Gamov (rusas, gyvenęs ir dirbęs Amerikoje) apie 1940 metus teoriškainuspėjo šio spinduliavimo buvimą. Deja, tais laikais technikos,leidžiančios jį užregistruoti, nebuvo. Tik 1964 metais du Bell Telephonelaboratorijos tyrinėtojai, A. Penzias ir R. Wilson, bandydami naują jautriąradio anteną, visai atsitiktinai atrado ir šį spinduliavimą. Prireikėbūtent radijo antenos, kadangi Visata šiuo metu yra taip atvėsusi, kad šioreliktinio spinduliavimo fotonai iš gama kvantų jau seniai yra virtę radijobangų ilgių fotonais. Svarbūs buvo šio spinduliavimo spektro tyrimai, irjie gana greitai po atradimo buvo atlikti. Pasirodė, kad spektro pobūdisyra būtent toks, kokio reikia reliktiniam spinduliavimui. Kiek netikėtabuvo Visatos temperatūra, lygi 2.7 K arba minus 2700 C. Paties Gamovoteorinė prognozė buvo apie 25 K, o kiek vėlesnė kitų autorių – apie 5 K.Šio spinduliavimo fotonų bangos ilgis yra lygus 1.1 mm. Šis spinduliavimasyra didelė paspirtis Didžiojo Sprogimo teorijai ir sukelia nemažai keblumųvisiems kitiems alternatyviems Visatos atsiradimo ir evoliucijosscenarijams.Kaip ir reikalavo teorija, reliktinis spinduliavimas pasirodė besąsizotropinis, tai yra vienodas visomis kryptimis. Jeigu Visata būtųnehomogeniška arba nesimetriška, tai turėtų pasireikšti reliktiniospinduliavimo neizotropiškumu, kurį turėtų būti galima aptikti. Deja, tokiematavimai yra labai sudėtingi ir naudojant antžeminę techniką ilgą laikąbuvo neįmanomi. Pastaraisiais dešimtmečiais šioks toks, nors ir labainežymus, šio spinduliavimo neizotropiškumas vis tik yra aptiktas.Reziumuojant galime teigti, kad turime tris neblogus įrodymus, kad Visatagimė 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 šioelemento branduolių gali susidaryti evoliucionuojant karštai Visatai. Šįfaktą nusakė tas pats Gamovas, kuris pagrindinai tyrinėjo branduolinesreakcijas ir buvo pirmasis, sugalvojęs karštos Visatos Didžiojo Sprogimoscenarijų. Gamovas ir vėliau tuo užsiiminėję kolegos suprato, ką reikiadaryti, norint pažvelgti kuo giliau į Visatos praeitį. Kadangi irpradinius, ir dabartinius Visatos evoliucijos etapus pagrindinaiapsprendžia elementariųjų dalelių sąveika, o evoliucijos pradžioje šiųdalelių energija buvo labai didelė, tai spręsti apie jų savybes esanttokioms sąlygoms galima tik jas sudarius ir patyrinėjus, kaip dalelės tosesąlygose elgiasi. Būtent tokioms sąlygoms sudaryti ir reikalingi didelidalelių greitintuvai, apie kuriuos esu minėjęs. Daleles, pagreitintastokiame prietaise iki milijardų elektronvoltų energijų (žymima kaip GeV)pagal pateiktą energijos ir temperatūros sąryšį atitinka temperatūra, lygi1013 laipsnių. Tai dar ne Didžiojo Sprogimo pirmųjų momentų temperatūra,kuri turėtų sudaryti apie 1027 laipsnių, bet jau ir ne tokia tolima nuopastarosios. Vėsdama nuo tokių temperatūrų, Visata pamažu įgauna įprastinęformą, tai yra esant 1013 laipsnių temperatūrai, kuri gali atsirastipraėjus vienai dešimtmilijoninei sekundės daliai po Didžiojo Sprogimo, iškvarkų pradeda susidaryti protonai ir neutronai. Po trijų minučių nuominėto momento pagal šį scenarijų Visata atvėsta iki 109 laipsnių ir išprotonų bei neutronų pradeda susidaryti lengviausieji branduoliai. Būtentšiuo metu ir gali atsirasti alfa-dalelės, tai yra helio atomo branduoliai,kurių stebimoje Visatoje yra tiek daug (apie 25 procentus), kad paaiškintijų atsiradimą kitaip kaip Visatos praėjimu per šią “karštąją” fazę, beveikneįmanoma. Praėjus 300 000 metų temperatūra krito iki 3000 laipsniųKelvino, o tai reiškė, kad pradėjo formuotis atomai ir kondensuotisgalaktikos. Būtent tuo momentu Visata pasidarė permatoma tamelektromagnetiniam spinduliavimui, kuris šiuo metu vadinamas reliktiniu,nes buvę laisvi elektronai, kurie labai sklaidė fotonus, tapo surištiatomuose ir pradėjo absorbuoti tik tam tikras energijas. Tik nuo šiomomento, kai materija išsilaisvino nuo šviesos “tironijos”, atsiradogalimybė kondensuotis galaktikoms. Būtent šio laikotarpio Visatos“nuotraukas”, vis senesnes ir senesnes, nuo 1992 metų fotografuoja įvairispeciali aparatūra. Randamas nedidelis, keletos šimtatūkstantųjų dalių,reliktinio spinduliavimo nehomogeniškumas. Taigi, Visatoje yraužregistruotos kiek karštesnės ir kiek šaltesnės sritys. Pastarosios būtentir rodo, kuriose vietose tankis pradiniame evoliucijos etape buvo šiek tiekdidesnis nei vidutinis. Kaip tik šiose vietose ir formavosi daugiau pirmųjųgalaktikų. 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 lokalinėsfluktuacijos, nelabai įtakojančios globalines visos sistemoscharakteristikas.Vis tik, nepaisant šių lokalinių fliuktuacijų, Visata yra homogeninė irizotropinė, tai yra tokia pati beveik visuose pakankamai dideliuose tūrioelementuose ir stebint visomis kryptimis. Ši jos savybė pasireiškia lygčių,aprašančių vykstančius Visatoje reiškinius, simetrijomis. Kitais žodžiaistariant, fizikos lygtys, aprašančios izoliuotą sistemą, tokią kaip pavienisatomas ar Saulės šeima, yra invariantiškos transliacijų ir posūkių erdvėjeatžvilgiu. Praktiškai pirmoji simetrija pasireiškia tuo, kad pernešus tąatomą ar visą Saulės šeimą į kitą vietą Visatoje, jų savybės turėtųnepasikeisti, o antroji – kad pasukus šią sistemą savybės taip pat neturikeistis. Kasdieniniame gyvenime, pavyzdžiui, tai reiškia, kad akmenys tokiupat pagreičiu kaip dabar krito ir prieš du šimtus, ir prieš du milijonusmetų, nors Žemė su Saule tais momentais buvo visai kitose Paukščių Tako, otuo pačiu ir Visatos, vietose, o taip pat tai, kad stalas dėl Žemėspasisukimo nepakeičia per naktį savo formos. Taigi, šie judėjimo lygčių irVisatos invariantiškumai yra tiesiogiai surišti ir seka vienas iš kito. Jieneblogai patikrinti eksperimentiškai, nes pasiekianti iš Visatosinformacija, atnešama šviesos, byloja būtent apie tai, kad įvairiosevietose atomai yra visai tokie patys, kaip ir Žemėje, Saulėje ar kur kiturartimiausioje mūsų aplinkoje.Stebuklingiausia Visatoje yra tai, kad kažkokiomis tai lygtimis, kurioseyra tik skaičiukai ar raidytės, iš viso galima aprašyti gamtos reiškinius.Antrasis stebuklas yra tas, kurį šio amžiaus pradžioje (1918 metais) įrodėmatematikė E. Noether. Ji ne šiaip sau išfilosofavo, o griežtai irįtikinamai matematiškai pademonstravo, kad kiekviena tokia simetrija yrasurišta su kokiu nors tvermės dėsniu.Pasirodė, kad Visatos homogeniškumas, pasireiškiantis judėjimo lygčiųtransliaciniu invariantiškumu (tai yra invariantiškumu pernešimo erdvėjeatžvilgiu), yra judesio kiekio tvermės priežastis. Analogiškai Visatosizotropiškumas (vienodumas stebint visomis kryptimis) pasireiškia judėjimolygčių invariantiškumu posūkių atžvilgiu ir yra judesio kiekio momentotvermės dėsnio priežastimi. Sunku net įsivaizduoti, koks būtų mūsųgyvenimas, jei negaliotų šie tvermės dėsniai. Iš šių rezultatų seka išviso stulbinanti išvada, kad Visatos struktūrą galima tirti stebint pavienįatomą arba kokią elementarią dalelę. Bet kokie šių tvermės dėsniųpažeidimai tame atome ar dalelėje gali būti sąlygoti tik nukrypimais nuoVisatos homogeniškumo arba izotropiškumo. Deja, tai kol kas nestebėta neimakro, nei mikro pasauliuose. Tai ir yra vienas iš Visatos įtakos mūsųgyvenimui pasireiškimų. Jei kas nors pasikeistų ir būtų ne taip, kaip yra,Visatoje, tai tuoj pat labai ryškiai pasireikštų mūsų kasdieniniamegyvenime. Gali būti, kad tokiu atveju daug kas, tame tarpe ir mes patys, išviso negalėtume egzistuoti.Gal būt kai kam jau kilo klausimas, su kokia Visatos simetrija surištasenergijos tvermės dėsnis. Ta pati E.Noether yra įrodžiusi, kad jis seka išVisatos laiko homogeniškumo. Ir klasikinės Niutono, ir kvantinėsŠrėdingerio lygtys yra invariantiškos laiko transliacijų atžvilgiu, tai yrata pati uždara sistema, esanti toje pačioje vietoje, įvairiais laikomomentais evoliucionuoja vienodai, tai reiškia, yra aprašoma visiškai tapačia lygtimi, o esant toms pačioms pradinėms sąlygoms – ir tais pačiaissprendiniais, nepriklausančiais nuo laiko atskaitos taško. Niutono lygtys,parašytos prieš tris šimtus metų, aprašo šiandieninį Mėnulio judėjimą taippat gerai, kaip ir anais laikais. Jeigu Visatos savybės kaip norspasikeistų, ir laikas taptų nehomogeniškas, tai iš karto pasireikštų netgipaprasčiausiuose buitiniuose reiškiniuose, nes nustotų galioti energijostvermės dėsnis. Yra ir kitokių tvermės dėsnių, pavyzdžiui, krūvio,barijoninio krūvio, keistumo ir panašių kitų, kurių ryšys su Visatossimetrijomis kol kas nėra toks akivaizdus.Reikia paminėti ir dar vieną laiko savybę, tai yra jo neizoptropiškumą,pasireiškiantį tuo, kad mes prisimename praeitį, bet negalime prisimintiateities, negalime nieko pakeisti praeityje, bet esame beveik visagaliaiplanuodami savo bent jau artimiausią ateitį. Greta šio visiškai akivaizdauslaiko nesimetriškumo ilgą laiką gana keistai atrodė klasikinės Niutonolygtys, kurios yra simetriškos laiko apgręžimo atžvilgiu. Klasikinėjefizikoje kai kuriais atvejais tokia simetrija nėra keista, nes dususiduriantys bilijardo rutuliai, jei juos nufilmuotume, o po to filmąpaleistume į atvirkščią pusę, atrodytų judantys visai natūraliai. Kitaipbūtų su filmu, kuriame užfiksuotas kiaušinio kritimas arba žmogausgyvenimas, todėl akivaizdu, kad klasikinės lygtys tinka toli gražu nevisiems procesams aprašyti. Tarp kitko, jos negali aprašyti nei Visatosvystymosi, nei mikroskopinių procesų, kurie atsakingi ir už gyvybėsatsiradimą. Šiuo metu jau galutinai aišku, kad visi fundamentalūs procesaiVisatoje turi kvantinę prigimtį, tai reiškia, jie gali būti aprašomi tikŠrėdingerio lygtimi, kuri šios prieštaraujančios sveikam protui simetrijosneturi. 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 vienąkosmologijos paradoksą, susijusį su įvykių determinizmu. Jeigu Visatavystytūsi pagal klasikinės mechanikos dėsnius, kaip ilgą laiką atrodė, taiNiutono lygtys Visatai, uždavus tam tikras pradines sąlygas bet kuriuolaisvai pasirinktu momentu, turėtų aprašyti visą vėlesnę jos evoliuciją,įskaitant ir tai, kur kiekvienas iš mūsų rytoj pietaus. Akivaizdu, kad taiyra nesamonė, tokiu būdu gyvybės atsiradimas Visatoje iš viso būtųneįmanomas; be to, kiekvieno mūsų valia kiekvienu momentu leidžianukrypimus nuo šių dėsnių prognozuojamų rezultatų, todėl jie darosi iš visobeprasmiai. Kitaip visa tai atrodo, jei reikalai vystosi pagal kvantinėsmechanikos dėsnius – tik tokiu atveju Heizenbergo neapibrėžtumo principasleidžia realizuotis įvairiausioms galimybėms ir sudaro bazę atsirastitokiai stebuklingai fliuktuacijai, kaip gyvybė su visomis iš toišplaukiančiomis pasekmėmis.Galų gale, pagal Bendrąją reliatyvumo teoriją, masių pasiskirstymaserdvėje, tos erdvės savybės ir laiko tėkmė joje yra tarpusavy tampriaisusiję. Tai nėra tik teoriniai samprotavimai. Jei neatsižvelgiama į laikotėkmės pokyčius įvairiuose atstumuose nuo Žemės, puikiai jau veikiantiGlobalinio Pozicionavimo Sistema nustato įvairių kūnų, esančių Žemėspaviršiuje, koordinates su šimtus kartų didesnėmis paklaidomis. Ši išvadareiškia, kad laikas galėjo pradėti “eiti” tik po Didžiojo Sprogimo, tai yratik tada, kai pradėjo materializuotis ta paslaptinga energija, kuriilgainiui sukūrė visą Visatą.Taigi, ratas užsidarė. Visata yra labai harmoninga ir vientisa sistema,kurioje globalines savybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės iratvirkščiai. Tuo ji ir yra panaši į gyvą organizmą, besivystantį pagaldėsnius, kurių dauguma jau yra mums žinoma, bet dar nemažai kas ir neaišku.Samprotavimai apie tai, kas buvo iki Didžiojo Sprogimo, yra dar tikpradinėse stadijose. Jie labai spekuliatyvūs ir specifiniai, reikalaujantysgilių profesionalių žinių ir fantazijos, todėl juos čia paaiškinti būtųitin sunku. Prie šių momentų scenarijų neapsistosime, tuo labiau kad prieššį įvykį, jei Didžiojo Sprogimo hipotezė atitinka realybę, ir pats laikoskaičiavimas neturėjo jokios prasmės. Įdomesnė ir kiek paprastesnė yraVisatos ateities samprata. Nustatyta, kad jei Visatos tankis (kuristiksliai nežinomas) yra mažesnis už tam tikrą dydį, tai jos laukianuolatinis plėtimasis, kurio gravitacinė sąveika sustabdyti dėl per mažosmasės yra nepajėgi. Jeigu gi šis tankis pakankamas arba didesnis už tąkritinę vertę, tai Visata tam tikru momentu turėtų sustoti plėtusis irpradėti trauktis iki Didžiojo Sutriuškinimo, po to vėl iš naujo sprogti,plėstis ir taip toliau, tai yra plakti kaip didelė širdis. Matoma Visatosmasė yra per maža, kad reikalai klostytūsi būtent taip, tačiau nustatyta,kad nuo 90 iki 99 procentų Visatos masės sudaro nematomoji medžiaga. Jeipasirodys, kad šis procentas yra artimesnis viršutinei ribai, tai toksvystymosi scenarijus būtų labai įtikimas. Laimė tik ta, kad bet kuriuoatveju nei mes, nei jokia suskaičiuojama mūsų vaikaičių karta neturėtų būtitokių 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 suVisata, yra ta, kad ir Žemė, ir žmonės, ir visa kita, kas yra šalia mūsųarba egzistuoja nepriklausomai nuo mūsų, bet gali būti suvokta, yra Visatosproduktai ir jos sudėtinės dalys. Panašiai kaip kadaise vienas žmogus,žvilgtelėjęs iš kosmoso į Žemę kiek kitomis akimis suprato, jog tai yravienas vientisas kamuoliuko pavidalo organizmas, taip ir Visata, matyt, yravientisa ir harmoninga. Taigi, ji labiau panaši į augantį, besivystantįgyvą padarą, negu į kokią mechaninę sistemą.Pažvelkime dar kartą į Saulės sistemą. Saulės amžius yra apie 5 milijardaimetų, o tai reiškia, kad ji nėra pirmosios kartos žvaigždė, gimusi PaukščiųTako formavimosi metu, o yra atsiradusi žymiai vėliau kaip Galaktikosvystymosi produktas. Tas pats ir su Žeme – jos susiformavimui neabejotinosįtakos turėjo artimųjų, o gal ir ne taip jau artimų Paukščių Tako sričiųistorija ir savybės, nes jos gelmės, turtingos sunkiaisiais, tame tarpe –ir radioaktyviaisiais, elementais, negalėjo susikurti iš primityvausvandenilio dujų debesies. Pats tas debesis jau buvo kelių kartų sudegusiųžvaigždžių 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 primityviausiosesavo egzistavimo formose, tokiose kaip žvaigždės, galaktikos ar planetos.Nederėtų šioje knygoje nagrinėti išties sudėtingų klausimų, tokių kaipintelekto ar civilizacijų egzistavimas, kurių ryšys su Visata yranepaprastai paslaptingas. Apsistokime prie pačios paprasčiausios, tai yragyvybės atsiradimo Visatoje problemos, nors ir ji pati yra vienasudėtingiausių iš visų, kurias čia aptarėme. Priimtini kol kas yra duscenarijai – pirmasis, kad gyvybė Žemėje pati išsivystė iš negyvosiosgamtos evoliucijos keliu, ir antrasis – kad sporos, sudarančios josatsiradimo pagrindą, buvo atgabentos į Žemę kažkokio tai kosminiokeliauninko (kometos, asteroido ar panašaus). Kaip ten bebūtų, abiematvejais gyvybės išsivystymui ir prisitaikymui prie sąlygų, egzistuojančiųkonkrečioje planetoje, reikia labai nemažai laiko. Po plytų krūva pakišusdinamito joks namas dar niekada nebuvo pastatytas. Galų gale atsitinka tai,ką gerai matome Žemėje – gyvybė ir planetos savybės sudaro labai harmoningądarinį. Užtenka paminėti jau vien tai, kad Žemės atmosferos sudėtis yratokia, kad joje egzistuoja tik du plyšeliai elektromagnetinių bangųspektre, kuriuose ji yra permatoma – tai regimųjų spindulių ir radijo bangųdiapazonai. Jei mūsų akys būtų pritaikytos kitiems bangų ilgiams, neidabar, nematytume nei žvaigždžių, nei Saulės.Panagrinėkime kiek smulkiau abu minėtus scenarijus. Evoliucinė Darvinoteorija paremta teiginiu, kad gyvybė gali išsivystyti iš negyvosiosmaterijos. Jos teiginiai yra neblogai visiems žinomi, todėl apsiribosiu tikkai 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 nuolatinėmselektros iškrovoms per savaitę pavyko paversti tamsiai ruda mase, kuriojebuvo daug amino rūgščių, kurios būtent ir sudaro proteinų bazę ir yrafundamentali gyvosios gamtos sudėtinė dalis. Kiti panašūs eksperimentaileido susintetinti ir kitokias sudėtingas molekules. Aminų rūgštys dabarjau randamos ir meteorituose, ir netgi kosmose, jų gamyba – ne problema.Visai neaišku, ko reikia, kad iš jų susidarytų proteinai, kuriuose josišsidėstę labai sudėtinga ir unikalia tvarka, o taip pat gyvybės pagrindas– dar sudėtingesni junginiai – ribonukleininė ir dezoksiribonukleininėrūgštys. Įtikėtina ir tai, kad šis procesas visai neišvengiamas visur irvisada, ir tai, kad Žemėje kadaise susidarė ypatingos sąlygos, ir bent jaumūsų galaktikoje gyvybė yra visiškai unikalus reiškinys. Kai kurie duomenysrodo, kad pirmieji mikroorganizmai Žemėje atsirado prieš tris – tris supuse milijardų metų, o primityvūs mūsų proseneliai pasirodė tik prieš 3 – 4milijonus metų. Kai kam atrodo, kad net ir toks laiko periodas yra permažas tokioms protingoms būtybėms, kaip mes, išsivystyti.Alternatyvus evoliuciniam yra 1907 metais paskelbtas S.Arenijaus požiūris įšią problemą. Jis teigia, kad gyvybė į Žemę yra atnešta iš kosmoso sukažkokiomis tai mikroskopinėmis sporomis, pajėgusiomis po ilgos kelionėspas mus įsikurti ir išsivystyti. Ši teorija negali būti labai paprastaiatmesta, nes pastaraisiais metais pasirodė keleta ją remiančių faktų.Pirmiausia tai yra meteorito ALH84001, kadaise atskriejusio į Žemę, liekanųtyrimai. Identifikuota, kad šis meteoritas yra atskilęs nuo Marso priešseptyniolika milijonų metų, ilgą laiką klaidžiojo erdvėje, maždaug prieštrylika tūkstančių metų nukrito į Antarktikos sniegynus, ir galų gale 1984metais buvo surastas specialistų. Tame meteorite buvo surasti primityviųorganizmų, kurie jame gyveno prieš keturis milijardus metų, pėdsakai.Panašūs mikroorganizmai Žemėje atsirado tik prieš tris su puse milijardometų, taigi žymiai vėliau. Tie pėdsakai tai yra magnetėlių grandinėlės,kurias kuria besivystydamas tas mikroorganizmas, matyt tam, kad galėtųgeriau orientuotis erdvėje. Jei tai pasitvirtintų dar kitais tyrinėjimais,šis faktas akivaizdžiai paremtų teiginį, kad Visata pilna visokiosprimityvios gyvybės užuomazgų, bet ta gyvybė įsitvirtina ir pradedavystytis tik ten, kur susidaro palankios sąlygos. Šiuo atveju visailogiška, kad pirmiausia tie organizmai vystėsi Marse, kadangi jis yratoliau nuo Saulės, todėl anksčiau susiformavo, atvėso ir tapo tinkamasjiems gyventi. Žemė formavosi kiek vėliau, todėl ir tų organizmų buvimopožymiai joje vėliau atsirado.Romantiškas ir visai panašus į tiesą yra ir mechanizmas, aiškinantis, kaipprimityvios gyvybės formos gali netgi plisti Visatoje. Apie 1950 metusteoriškai išsamprotauta, kad tolimoje Saulės sistemos periferijojeegzistuoja didžiulė kometų samplaika, turinti dešimtis ar net šimtusmilijardų kometų, pasiskirsčiusių ne taip kaip planetos, kokioje taiplokštumoje ar arti jos, bet beveik vienodai visomis kryptimis. Tai yratarsi koks tos sistemos apvalkalas. Prognozuojami jo matmenys yra nuodešimčių iki šimtų tūkstančių astronominių vienetų, kas gali sudaryti netiki pusės atstumo iki artimiausios žvaigždės. Jei tokius pat apvalkaluskartu su planetų sistemomis turi ir kitos žvaigždės, tai per milijoną metųgali įvykti keleta gana artimų jų praskriejimų, kurių metu tie apvalkalaigali ir persikloti. Aišku, kad tokių suartėjimų metu šios žvaigždžiųsistemos gali pasikeisti kometomis. Kometos gi, kurių branduoliai sudarytiiš ledo, tai yra vandens, yra visai neblogi tų primityvių gyvybės formųsaugojimo šaldytuvai. Priartėjus kometai prie Saulės, jos branduolyssušyla, susiformuoja graži matoma uodega, joje ir galėtų būti tų organizmų.Įskridus žemei po kurio laiko į tokios uodegos liekanas kartu su stebimumeteorų lietumi gali atkeliauti dar ir kokios tai gyvybės užuomazgos. Galne veltui kometų pasirodymas danguje nuo senų senovės siejamas suįvairiausiomis ištinkančiomis Žemę nelaimėmis, gal tie prietarai turi kokįpagrindą? 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 teorijosteiginiai prieštarauja žinomiems faktams. Pavyzdžiui, neaišku, kaip sporosgali ilgą laiką išlikti veiksmingos kosminės kelionės metu, veikiantžudantiems gama ir kitiems kosminiams spinduliams. Iš kitos pusės, netgijeigu ši koncepcija yra teisinga, ji neišsprendžia gyvybės atsiradimoproblemų, tik perkelia jas į kitą vietą. Norint šią hipotezę padarytineprieštaringa, reikia prisiminti, kad ši alternatyva yra reikalinga tam,kad kaip nors pratęstų gyvybės vystymosi laiką, kuris, palyginus su Žemėsegzistavimo laiku, turėtų būti žymiai ilgesnis. Kažkada šią hipotezę išnaujo peržiūrėjo F.Hoyle, kuris surado šiokių tokių galimybių ją pagrįsti.Pirmiausia, jis teigė, kad panašios sporos nuolatos pasiekia Žemę ir šiuometu, atnešdamos visokiausias negirdėtas ligas ar epidemijas, kuriomsgyvenančių Žemėje žmonių organizmai neturi imuniteto. Toliau Hoyle teigė,kad gyvybei išsivystyti reikalingas ne tik žymiai ilgesnis negu 5milijardai metų, bet netgi ilgesnis už 15 milijardų metų laiko tarpas.Tokiu atveju prieštaringas pasidaro Didžiojo Sprogimo scenarijus, tačiau iršią problemą galima išspręsti, prailginant Visatos gyvavimo laiką. Galibūti, kad Visata ilgą laiką egzistavo stabilioje būsenoje, ir dėl nežinomųpriežasčių pradėjo plėstis tik maždaug prieš minėtus 14 milijardų metų.Visumoje ši hipotezė taip pat turi silpnų vietų, pavyzdžiui, visur aplinkuiturėtų būti randamos tos sporos, tačiau kruopšti Mėnulio grunto pavyzdžiųanalizė kol kas to nepatvirtino. Gal būt, gana išsamius atsakymus į kaikuriuos šių klausimų pateiks planuojamos ir jau pradėtos ekspedicijos į
Marsą – arčiausią planetą, kurioje galėjo būti gyvybė. Tarp kitko, ikišiol tik trečdalis ekspedicijų į šią planetą buvo sėkmingos, taigi netnepilotuojamas skrydis tokiais atstumais nėra paprastas. Kosmosas nėrasvetingas keliauti tokioms sudėtingoms struktūroms, kaip žmonės ar jųpagaminti įrenginiai – mūsų šiuolaikiniai kosminiai laivai.Pav. 13.1. Visatos ir biologinių objektų nuotraukų galerija.Pamąstykime dar plačiau. Jei gyvybė yra taip paplitusi Visatoje, kaip sektųiš šios hipotezės, tai turėtų būti ir civilizacijų, pasiekusių žymiaiaukštesnį, nei mūsiškis, išsivystymo lygį. Gal jų kosminiai laivai yrapritaikyti tokioms kelionėms? Viltį, kad taip gali būti, skiepijastulbinantys žmogaus proto pasiekimai. Jei tik šie procesai vystysis tokiupat greičiu kaip dabar, ir vėl nenusirisime į kokius nors viduramžius,turėtume ir toliau labai greitai progresuoti. Devynioliktojo amžiaus galebuvo pranašaujama, kaip pasaulis atrodys po šimto metų, dabar tokiomispranašystėmis joks protingas žmogus neužsiima, nėra jokių perspektyvų kąnors nuspėti. Prieš šimtą metų, pavyzdžiui, niekas net sufantazuotinegalėjo nieko panašaus į mobilųjį telefoną ar kompiuterį, tuo labiaunešiojamą, o Internetas tai net jokiame sapne negalėjo prisisapnuoti.Prisimenu tik vieną šių pranašysčių – kažkoks žmogelis susamprotavo, kad pošimto metų, jei Paryžius plėsis tokiu greičiu kaip tada, jo gatvėspasidengs septynių metrų storio arklių išmatų sluoksniu, ir gyvenimasvisiškai 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 būtųaplankę Žemę, nėra. Jeigu jie būtų tokie protingi, kad galėtų iki mūsųatskristi, tai vargu ar jiems reikėtų nuo mūsų slapstytis kur tai kitojeMėnulio ar Marso pusėje, kartais pasivogti kokią moterėlę iš gūdaus Sibirokaimo ar dar kaip kitaip mus šiurpinti. Pavojaus jiems dėl žemo savoišsivystymo lygio mes nekeliame, taigi jie turėtų būti suinteresuoti sumumis kontaktuoti.Kodėl vis tik ateiviai mūsų nelanko ir netgi nesiunčia jokių savo buvimosignalų? Dabartine technika aptikti kokius nors signalus, jei tik juos kassiūstų, turėtų būti nelabai sunku. Pavyzdžiui, 2001 metų balandžio 28,atsitiktinai trumpam atgijus branduolinei Pionierius-10 kosminio laivobaterijai, Madride esanti speciali kosminių tyrimų antena tuoj patužfiksavo jos siunčiamus signalus ir identifikavo jų prigimtį, nors šiskosminis zondas skrieja jau nuo 1972 metų ir yra nutolęs 78 kartus toliaunuo 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 galkokios nors katastrofos, tokios kaip supernovų sprogimai ar iš kosmososlindantys nepaprastai galingi gama spindulių šuorai reguliariai vykstavisur galaktikose ir neleidžia intelektui ir civilizacijoms išsivystytitaip, kad jie taptų Visatos valdovais? Prisiminkime – viskas Visatoje,įskaitant net ją pačią, kažkada prasidėjo ir tikriausiai, kažkada pasibaigsarba 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?