Visata ir žmogus

astronomija

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. Grubiai
kalbant, jas galima padalinti į kelias grupes, kiekviena kurių skirta visai
kitokiems skaitytojams.
Pirmiausia tai yra knygos astronomams appie astronomiją. Jų skaitytojas turi
būti ir specialiai pasiruošęs, ir giliai besidomintis būtent astronomija.
Fundamentaliausias toks veikalas yra A. Ažusienio, A. Pučinsko ir V.
Straižio knyga, kuri taip ir vadinasi – Astronomija. Jeigu norite pradėti
gilias šio įdomaus mokslo studijas, pradėkite būtent nuo jos. Knyga, kurią
laikote rankose, yra ne jums. Ji nėra skirta nei esamiems, nei būsimiesiems
astronomams mokytis astronomijos.
Antrojo tipo knygos yra labai spalvingos, skirtos populiarinti mokslą ir
sukelti vaikų bei moksleivių susidomėjimą astronomija. Šios literatūros, ir
originalios, ir verstinės, pasirinkimas yra išties labai didelis. Jeigu
norite pamatyti, kookia graži Visata ir kokie protingi astronomai, būtinai
užeikite į bet kurį knygyną, nusipirkite bet kurią tokią knygą, ir ją
paskaitykite. Suprasti tai, kas ten parašyta, bus nesudėtinga ir išties
įdomu ne tik Jums, bet ir Jūsų šeimos nariams. Ši knyga irgi ne tokia, ne

es
ją skaityti nebus taip paprasta kaip tas mokslo populiarinimo – nuolatos
teks kiek tai pamąstyti, skaitant per vidurį kartais dar kartą atsiversti
jos pradžią, o artėjant prie galo dar ir prisiminti, kas buvo parašyta tame
viduryje.
Charakteringiausia trečiojo tipo knyga yra neseniai išleistas S. Hawking
bestseleris “Visata riešuto kevale”. Man ši knyga labai patiko, perskaičiau
ją vienu prisėdimu. Su autoriumi mes vienmečiai, abu daug metų užsiimame
fizika, bendrą kalbą surasti tokiu atveju nėra labai sunku. Vis tik mūsų
tyrimų sritys yra gana tolimos, todėl man skaitant tą knygą labai pravertė
kažkada nuodugniai išstudijuota bendroji reliatyvumo teorija, o taip pat
gilios kvantinės mechanikos ir aplamai fizikos žinios. Nesupratau, ką ją
skaitydamas gali sužinoti ne fizikas ar astrofizikas ir kodėl ji yra
bestseleris. Nieko kito, kaip gausybė neaiškinamų terminų ir paties
autorius bei jo draugų hipotezių tooje knygoje kaip ir nėra. Tačiau
romantiškas ir tragiškas paties autoriaus likimas, fantastiškos knygos
iliustracijos, retkarčiais vis pasitaikantis labai patrauklus angliškas
jumoras bei triuškinanti, bet subalansuota knygos reklama padarė savo. Ta
knyga yra bestseleris. Matyt, mano knygai tai negresia, nes reikalingų
bestselerio pirkėjui nežinomų žodžių, negirdėtų mokykloje, joje beveik
nėra, o jei tokių išvengti neįmanoma, stengiuosi juos kuo paprasčiau
paaiškinti. Didžiulės pagarbos astrofizikams ir pačiam autoriui ji neturėtų
sukelti, per daug jau paprastai viskas joje aiškinama.
Tai yra knyga apie mūsų gimtuosius namus – Visatą. Ji skirta būsimiesiems
inteligentams, norintiems suvokti mū
ūsų vietą Visatoje, susipažinti su
daugelio žmonių kartų pastangomis ją suprasti, ir glaustai sužinoti, kaip
Visata regis šiais laikais, kokia jos praeitis, dabartis ir koks likimas
jos laukia.
Paskaitų kursas, besiremiantis šiomis idėjomis, yra skaitomas VDU visų
fakultetų ir specialybių studentams kaip pasirinktinis Gamtos mokslų
pogrupio kursas nuo 1995 metų. Kas semestrą susitinkant su įvairias
studentais palaipsniui aiškėjo jų poreikiai, interesai ir temos, kurios
sukelia didžiausią susidomėjimą ir yra aktualios humanitarinės, socialinės
ar netgi kai kuriems gamtamokslinės pakraipos studentams.
Remiantis sukauptu patyrimu susidarė įspūdis, kad paskaitų pagrindiniai
tikslai turėtų būti du.
Pirmasis – padėti studentui, būsimajam inteligentui ir plačiai
apsišvietusiam žmogui, nugalėti baimę, kurią sukelia kartkartėmis spaudoje
pasirodanti informacija apie kokius nors astronomijos ar fizikos stebėjimų
ar tyrimų rezultatus. Kartais ta informacija pateikiama per daug
profesionaliai ir atrodo beveik visai nesuprantamai žmogui, turinčiam tik
vidurinį išsilavinimą. Kartais ji atrodo tokia netgi besidominčiam tais
reikalais žmogui, bent jau vien dėl to, kad yra perteikiama laikraščio ar
kitos informacijos priemonės darbuotojo, kuris pats apie tai labai silpnai
nusimano. Skaitytojui ilgainiui susidaro įspūdis, kad tos informacijos ne
tik kad neįmanoma suprasti, bet netgi ir prieinamai paaiškinti. Kovoti su
šiuo įspūdžiu labai sunku, bet įmanoma, ir savo paskaitose aš bandau
įveikti šią problemą, beveik kiekvieną knygos skyrių pradėdamas nuo
istorinės apžvalgos ir demonstracijos, kad netgi senovės žmonės, būdami
skvarbaus proto ir nesinaudodami jokiais sudėtingais prietaisais, buvo
pajėgūs išsiaiškinti labai nemažai visokių Visatos pa
aslapčių. Skaitytojas,
kuris, kiek įtempęs dėmesį, suvoks šias senovės išminčių idėjas ir metodus,
naudotus tyrinėjant artimąjį kosmosą, pajėgs lengviau suvokti ir
šiuolaikinio įvaizdžio apie Visatą esmę, o gal ilgainiui net ir pats ją kam
nors paaiškinti.
Antrasis vadovėlio tikslas yra suteikti klausytojams žinias, būtinas
atsikratyti prietarų, kurie ilgainiui vis labiau ir labiau skverbiasi į
visuomenės sąmonę. Kreacionistiniai mitai, astrologų prognozės,
spekuliacijos apie ateivių vizitus, stebuklingi visokių ekstrasensų
žygdarbiai, reguliariai skelbiami ir demonstruojami, bet labai retai
kompetetingai komentuojami profesionalių mokslininkų gali kartais jaunam
žmogui sudaryti įspūdį, kad visa tai yra toleruojama ir sudaro paties
šiuolaikinio mokslo neatsiejamą dalį. Padėti šiuo atveju gali tiktai
sistemingos, nors ir elementarios gamtos mokslų, tame tarpe – ir
astronomijos, žinios. Aišku, jos turi būti pateikiamos taip, kad būtų ir
suprantamos, ir priimtinos netgi specialiai tam nesiruošusiam, bet
trokštančiam tai išsiaiškinti, žmogui.
Ar reikia kiekvienam žmogui žinių apie Visatą? Aišku, sukaupti
profesionalias žinias tik perskaičius šią knygą neįmanoma, tačiau
pasistengus galima visiškai neblogai ir adekvačiai pradėti suvokti aplinką.
Keičiantis visuomenės vertybių sistemai keičiasi ir jos poreikiai. Kiek
žinau, kai kuriuos universitetus, ypač JAV, galima baigti susirinkus
kreditus ir taip, kad galima būtų išvengti “neparankių” kursų – kas moka
pinigus, tas užsako ir muziką, lavinimuisi tapus preke jos pardavimas yra
grynai techninė problema. Neseniai mačiau kiek ilgesnį nei dviejų minučių
trukmės mėgėjišką filmą, kuriame po labai trumpo Harvardo diplomų įteikimo
iškilmių pristatymo kažkoks negeras žmogus keletai ab
bsolventų ir galų gale
vienam profesoriui uždavė “klausimėlį”, kodėl, jų nuomone, Žemėje būna metų
laikai. Protingiausiai atsakė profesorius – taip atsitinka dėl to, kad
kinta Mėnulio, Žemės ir Saulės tarpusavio padėtis. Įdomu, ar mūsų
universitetų absolventai ir profesoriai galėtų geriau pasirodyti? Tikiu,
kad šio kurso klausytojai po semestro turėtų suprasti metų laikų buvimo
priežastis bent jau geriau už tą profesorių.
Bandžiau, geriausiai kaip tik sugebu, spręsti šias problemas. Ar pavyko,
turi nuspręsti skaitytojas. Iš anksto esu dėkingas už pačias įvairiausias
pastabas apie knygą, kurių lauksiu adresu
Gintautas_Kamuntavicius@fc.vdu.lt
Pirmieji, kuriems noriu ypatingai padėkoti už kruopštų šio vadovėlio
perskaitymą, yra jo recenzentai – habil. dr. G. Tautvaišienė ir doc. dr. A
Ažusienis. Sunku pervertinti jų pasiūlymus patobulinti pradinį tekstą,
kuris po koregavimo tapo ir žymiai sklandesnis, ir žymiai profesionalesnis.

1. Visata ir mokslas

Pažvelgus į dangų giedrą naktį galima suskaičiuoti apie 4000 žvaigždžių.
Akylesnis stebėtojas gali pamatyti kiek daugiau, ne toks akylas – kiek
mažiau žvaigždžių. Daug tai ar mažai? Ar tai – jau visa Visata? Jei ne, tai
kokią jos dalį taip žiūrėdami matome? Nesunku patikrinti, kad apsiginklavę
paprasčiausiu binokliu tuščioje plikai akiai vietoje galima pastebėti naujų
žvaigždžių, o pro kad ir nedidelį teleskopą – vėl ir vėl naujų. Dabar jau
beveik nereikia ir teleskopo – jei turite priėjimą prie interneto,
atsiverskite puslapį http://www.astrosurf.com/ ir galėsite lengvai
įsitikinti šiais teiginiais. Paaiškėja, kad balzgana Paukščių Tako juosta,
lengvai pastebima danguje, yra vėlgi ne kas kita, kaip daugybė žvaigždžių.
Žvaigždės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiau
palyginus su Saule, matoma dieną, jos yra niekingai smulkios ir
neišvaizdžios, todėl daug tūkstantmečių niekas net nedrįso pagalvoti, kad
jos turi ką nors bendro. Tas atsispindi netgi seniausiuose judėjų mituose,
kai dievas antrąją dieną vargo kurdamas Saulę, o po to žaismingai per
ketvirtą dieną sukūrė iš karto visas žvaigždes.
Ir iš tiesų, šis vaizdas, matomas plika akimi, yra niekingai maža Visatos,
apie kurią tiek daug kalbame, dalis. Daug tūkstančių metų žmonės nieko
daugiau ir negalėdavo danguje pamatyti, bet giliausiai mastantiems netgi tų
įspūdžių pakakdavo suvokti jos didingumą ir galią. Žvaigždės visada buvo
matomos, tačiau jos, kaip iš pirmo žvilgsnio atrodo, visada buvo tik fonas,
o ne lygiavertis Saulės sistemai tyrimo objektas. Dėl šios priežasties
mažiausiai 20 amžių Visata iš viso buvo tapatinama tik su Saulės sistema.
Šiandien patikimai žinoma, kad Visata atrodo kaip gal net ir begalinė
visuma žvaigždžių telkinių – galaktikų, tolstančių viena nuo kitos
greičiais, proporcingais atstumams tarp jų. Patikslintas pastaruoju metu
pačios Visatos amžius yra apie 13.7 milijardų metų. Šiandien jau surasti
milijonai galaktikų, kiekvienoje kurių yra iki nuo milijonų iki šimtų
milijardų žvaigždžių. Dauguma tų žvaigždžių tikriausiai turi ir planetų
sistemas, nes tai patvirtina ir artimiausiųjų žvaigždžių stebėjimai, ir
teorija, kuri teigia, kad formuojantis žvaigždei beveik neišvengiamai jos
aplinkoje formuojasi ir visokie kitokie kūnai, taigi – ir planetos.
Įtikinamiausia, kad mūsų Saulė su savo planetų sistema beveik niekuo iš
kitų savo sesių neišsiskiria.
Reziumuojant mūsų pirmąjį žvilgsnį į dangų galima pasakyti tik tiek, kad
neginkluota akis jame pamato vieną iš šimto milijonų (viso mūsų galaktikoje
– Paukščių Take, yra apie keturis šimtus milijardų žvaigždžių, o matome tik
keturis tūkstančius jų, taigi šių skaičių santykis ir sudaro šimtą
milijonų) artimiausių mums žvaigždžių. Žvaigždžių, esančių kitose
galaktikose, pastebėti neįmanoma. Tiesą pasakius, šiaurės pusrutulyje plika
akimi galima pamatyti ir vieną nelabai toli esančią didžiulę galaktiką –
Andromedos ūką, bet nepatyrusiam stebėtojui ji niekuo nuo paprasčiausios
žvaigždutės, ar tiksliau pasakius, ūkelio, nesiskiria.
Pav. 1.1,1.2,1.3 ir 1.4. Tolimos galaktikos, užfiksuotos 2002 metų Hablo
teleskopo nuotraukose (NASA).
Pati Visata, kurios iš Žemės, kaip ką tik išsiaiškinome, net ir pamatyti
neįmanoma, yra labai harmoninga ir vientisa sistema, kurioje globalines
savybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės ir atvirkščiai.
Mokslas apie Visatą kaip visumą ir apie Metagalaktiką – stebimą Visatos
sritį – kaip tos visumos dalį, vadinasi Kosmologija. Pats šis žodis
kildinamas iš graikiškų žodžių kosmos – pasaulis, Visata ir logos – žodis,
mokymas. Pagal S. Hawking kosmologija yra mokslas, tiriantis Visatą kaip
vieningą sistemą. Būtent šis požiūris į kosmologiją ir yra artimiausias
šios knygos autoriui, ir, norėčiau tikėti, daugumai jos skaitytojų, nors
tradiciškai astronomija kaip mokslas, studijuojantis materialiąją aplinką
už Žemės atmosferos ribų, yra pasidalinęs į daug šakų, tokių kaip planetų
astronomija, Saulės astronomija, žvaigždžių astronomija, galaktinė
astronomija ir kitos, kosmologijai palikdamas tik užgalaktinę astronomiją.
Deja, kuo toliau, tuo labiau aiškėja, kad Visatoje nėra atskirų dalių, visi
reiškiniai ir objektai yra tampriausiai susiję, ir minėta klasifikacija
labiau pritaikyta tik atskirų siaurų astronomijos sričių klasifikacijai ir
dirbančių tose srityse specialistų poreikiams tenkinti.
Visatos studijos remiasi fizikos dėsniais ir astronominių stebėjimų
duomenimis. Svarbiausias postulatas, kuriuo jos remiasi, yra tas, kad
gamtos (fizikos) dėsniai, surasti labai ribotoje Visatos dalyje, kurioje
juda Žemė ir kuri prieinama mūsų tyrinėjimams, gali būti ekstrapoliuoti į
žymiai didesnę sritį, kurią galima tik stebėti, ir galų gale – į visą
Visatą, kurios, kaip matėme, visos net ir stebėti neįmanoma.
Pagrindinis Visatos tyrimo metodas yra nuolatiniai stebėjimai,
sistematiškas žinių apie Visatą kaupimas ir jų kondensavimas patikrinamuose
dėsniuose ir teorijose. Toks tyrimo metodas sudaro bet kokių mokslinių
tyrimų esmę. Jis atrastas tik prieš keletą šimtų metų, bet jau pats savaime
yra didžiulė vertybė. Šiais laikais, kai Interneto dėka pasaulis yra itin
susiaurėjęs, apsikeitimas mokslo žiniomis, hipotezių skelbimas ir
tikrinimas yra tobulai išvystyti, ir mokslas vystosi iki šiol
neįsivaizduotu greičiu. Pasiekus tam tikrą kvalifikaciją, įsijungimas į šį
darbą atneša ne tik didelę naudą visuomenei, bet ir unikalius pojūčius bei
didžiulį pasitenkinimą kiekvienam šio proceso dalyviui.
Žinomos įvairios kosmologinės teorijos, vystytos įvairiu metu, remiantis
tuo ar kitu pažinimo lygiu. Kaip priimta gamtos moksluose, modeliai turi
būti patikrinami matomoje Visatos srityje, stebėjimų rezultatai turi
patvirtinti teorijos išvadas, ir pati teorija turi nuspėti naujus
reiškinius. Šie reikalavimai yra gana griežti, todėl dauguma ankstesnių
kosmologinių teorijų neišliko.
Šiuolaikinis mokslas apie Visatą yra paremtas Alberto Einšteino
reliatyvistine traukos teorija, Edvino Hablo tarpgalaktinės astronomijos
pasiekimais ir kvantine mechanika, susiformavusiomis pradedant dvidešimtojo
amžiaus antruoju dešimtmečiu. Jį galima būtų pavadinti nestacionariosios
karštosios Visatos homogeniniu izotropiniu modeliu. Ką reiškia šie žodžiai,
išsiaiškinsime vėliau, dabar gi reikia pradėti nuo ko nors paprastesnio.
Pastaruoju metu yra galutinai suvokta, kad Visatos savybės pilnai
apsprendžia kiekvienos elementariosios dalelės, atomų branduolių, atomų ir
galų gale viso to, iš ko padarytas supantis mus pasaulis, savybes. Jei
Visata būtų kitokia, kitokios būtų ir visos šios sistemos. Jų studijos
padeda suvokti pačią Visatą. Sudėtingiausias, ko gero, Visatos produktas
yra žmogus ir pati žmonių visuomenė, tačiau šiuo atveju ryšys su Visatos
savybėmis yra žymiai menkiau suvoktas.
Kuo primityvesnis žmogus arba visuomenė, tuo primityvesnę Visatą jis (ji)
gali įsivaizduoti. Studijuojant požiūrių į Visatą evoliuciją, lengvai
pastebimas siekimas suabsoliutinti žmogaus vaidmenį šioje struktūroje,
tapatinant Visatos centrą su gyvenamu regionu arba bent jau Žeme. Senovės
graikai manė, kad dievai gyvena Olimpo kalne; labai sunku buvo atsisakyti
plokščios Žemės įvaizdžio, o po to ištisus keturiolika šimtmečių –
nuostatos, kad Žemė yra Visatos centras. Kai prieš 500 metų M.Kopernikas
įrodė, kad Žemė skrieja apie Saulę, M.Liuteris pareiškė: “Šitas kvailys
nori visą astronomijos mokslą apversti aukštyn kojomis. Bet, kaip skelbia
Biblija, kaip tik Saulei, o ne Žemei, Jėzus liepė sustoti”. Deja, net
keturis amžius po Koperniko atradimo Saulė ir Saulės sistema vis dar buvo
laikomos žvaigždžių visatos centru, ir tik trečiajame šio amžiaus
dešimtmetyje pagaliau mes suradome tikrąją savo vietą. Pastaraisiais metais
surandama vis daugiau ir daugiau netgi artimų Saulei žvaigždžių, turinčių
planetas, taigi didėja tikimybė, kad ir pati gyvybė Žemėje nėra koks nors
unikalus reiškinys.
Gyvendami mes nuolatos “maudomės” garsų, kvapų ir šviesos “jūrose”. Jei
tiek rūšių sodrios informacijos gautume iš Visatos gelmių, gal ir ne tokia
paslaptinga ji atrodytų.
Deja, pagrindinis informacijos nešėjas šiuo atveju yra šviesa. Jos atnešama
informacija, kaip matysime, yra tam tikra prasme ribota, ir kai kurios
Visatos paslaptys lieka neatskleistos ir neatrodo, kad kas nors gali
pasikeisti artimoje ateityje. Garsai iš įvairių Visatos objektų mūsų
pasiekti negali, nes tarpžvaigždinėje erdvėje yra labai neblogas vakuumas,
o retkarčiais meteoritų arba atsivežtų kosminiais aparatais uolienų
pavyzdžių pavidale pasiekiantis mus Visatos “kvapas” nesuteikia itin daug
informacijos apie jos sandarą. Kiek daugiau informacijos gaunama
registruojant įvairios prigimties kosminius spindulius (ne
elektromagnetinių bangų prigimties), tačiau jų registracijai ir
identifikavimui reikalinga labai sudėtinga aparatūra ir subtilūs tyrimo
metodai.
Visata, kuri pati yra mus pagimdžiusi, nuolatos tarsi nori kažką pasakyti
ir stengiasi padėti tą informaciją suprasti. Stebuklinga pagalba yra jau
tai, kad abstrakčiomis matematinėmis formulėmis ar lygtimis galima aprašyti
realius daiktus ir įvykius, juos suprasti ir netgi valdyti. Esminis lūžis
šiame supratime, matyt, buvo padarytas didžiojo Galileo Galilėjaus, kuris
pirmasis suvokė, kad Saulės sistemos planetų paslapčių rakto reikia ieškoti
tyrinėjant įvairius reiškinius pačioje Žemėje. Būtent nuo šių jo tyrimų ir
prasidėjo visiškai naujas Visatos suvokimo etapas. Dangus naktį šiais
laikais labai panašus į matytą prieš daugelį šimtmečių, tačiau žvelgiantis
į jį Žmogus yra kitas, jis naudojasi visiškai kitokiais prietaisais, todėl
ir šios skurdžios informacijos jau pakanka susidaryti patenkinamą stebimos
Visatos dalies įvaizdį.
Kad suvoktomėte, kokio jautrumo aparatūrą gamtos tyrimui šiandien naudoja
fizikai, papasakosiu pirmiausia apie milijardą dolerių kainavusį CERN
(Europos branduolinių tyrimų centro) elektronų ir pozitronų greitintuvą. Jį
sudaro maždaug 27 kilometrų ilgio tunelis, kartais kalnuose tarp
Prancūzijos ir Šveicarijos siekiantis 100 metrų gylį, kuriuo eksperimentų
metu į vieną pusę juda elektronai, o į kitą – pozitronai (elektronų
antidalelės), retkarčiais nukreipiant jų sriautus į laboratoriją, kur
susidūrimų metu gimsta dalelės, sudarančios Visatos struktūros pagrindą.
Koks tikslus yra šis prietaisas, galite spręsti patys.
Pav. 1.5 ir 1.6. CERN greitintuvo schema ir tunelio vidinės dalies, kuria
skrieja elektronai ir pozitronai, nuotrauka.
Tik paleidus greitintuvą, pasirodė, kad pluoštelių charakteristikos
pastebimai kinta veikiant Saulės ir Mėnulio traukai; nuo jų tarpusavio
padėties 27 kilometrų tunelio ilgis pakinta iki 200 mikronų, ir tai galima
lengvai pastebėti. Vėliau buvo pamatyti sezoniniai pluoštelių iškraipymai
kiekvieną pavasarį, atsirandantys pritekėjus į Ženevos ežerą nuo kalnų
vandens. Galų gale, 1995 birželį buvo užfiksuoti pluoštelių iškraipymai,
pasikartojantys reguliariai paros bėgyje. Tyrėjų nuostabai, nuodugniau
patyrinėjus paaiškėjo, kad juos sukelia iš Ženevos važiuojantys traukiniai,
kadangi bėgiai pakloti “tik” kilometro atstume nuo CERN pastato.
Straipsnelis žurnale “New Scientist” taip ir vadinasi “Dabar dalelė juda
pro platformą Nr 4″.
Kitas pavyzdys – rekonstruotas Arecibo observatorijos (Puerto Rico) 305 m
diametro radioteleskopas. Jis toks jautrus, kad gali užfiksuoti telefono
aparato, jei toks būtų, esančio Veneros paviršiuje, skambučio skleidžiamas
elektromagnetines bangas ir surasti pakankamai pavojingai priartėjusius
didesnio nei 20 m diametro asteroidus.
Pav. 1.7. Arečibo radioteleskopas.
Galų gale, labai įspūdingas yra ir kosminis Hablo teleskopas, kurio
skiriamoji geba yra 0.01″.
Pav. 1.8. Hablo teleskopas (NASA).
Dar viena Visatos ypatybė yra ta, kad gamtos knyga, kaip sakė tas pats
Galileo Galilėjus, parašyta matematikos simbolių kalba ir jos
nesuprantantys gali nesuvokti nė vieno žodžio ir pasiklysti joje kaip
tamsiausiame labirinte. Ačiū dievui, tą matematiką, kurią jis turėjo
galvoje taip sakydamas, visi mes jau esame išmokę mokykloje, nes vis tik
šiems žodžiams daugiau kaip 350 metų. Iš kitos pusės, ir matematika kaip
kalba, ir supratimas apie Visatą per šį laiką labai pasikeitė, todėl
išdėstyti pilnai kvalifikuotai šiuolaikinį požiūrį į ją vėl nėra lengva
nesinaudojant adekvačiu matematikos aparatu, tačiau pabandyti labai verta,
nes kuo bus platesnė jūsų Visata, tuo išmintingesnė ir tuo pačiu
turtingesnė bus ir visa mūsų visuomenė.
Taigi, pradėkime nuo to, kad kadaise Visatos centre būdavo talpinama Žemė,
aplink kurią sferomis judėjo Saulė, Mėnulis ir matomos plika akimi planetos
(Merkurijus, Venera, Marsas, Jupiteris ir Saturnas). Toliau buvo tvirtas
sferinis dangaus skliautas, skiriantis Žemę nuo dangaus, kuriame buvo
išbarstytos nejudančios žvaigždės. Visas skliautas, aišku, sukosi apie Žemę
pastoviu greičiu. Šis Visatos suvokimas sudarė teologinės kosmologijos,
gyvavusios iki XV amžiaus, pagrindą. Jis pasikeitė tik 1417 metais po ilgos
užmaršties atspausdinus Lukrecijaus (99-55 BC) poemą “Apie daiktų
prigimtį”, kurioje Visata buvo vaizduojama kaip tuštuma, retsykiais
užpildyta judančiomis nedaliomis dalelėmis. Buvo teigiama, kad Visata
neturi centro ir talpina savyje begalę apgyvendintų pasaulių. Nei ji pati,
nei vykstantys joje įvykiai turėtų būti nepavaldūs jokiems dievams.
Didžiausias Lukrecijaus pasekėjas buvo už erezijas sudegintas ant laužo
Džordano Bruno (1548-1600), aktyviai platinęs neoriginalias ir daugeliu
atvejų nerealias idėjas.
Pabandykime suvokti, koks naivus yra toks vaizdas. Kaip tiksliai žinoma,
didžiausias materialių kūnų judėjimo greitis negali viršyti šviesos greičio
vakuume, lygaus apytikriai 300 000 km per sekundę. Tai yra didžiausias
galimas ir šios kietos sferos dalių judėjimo greitis. Sfera gi per parą
turi “apsisukti” aplink Žemę, todėl maksimalus jos atstumas nuo Žemės turi
būti baigtinis. Nesunku suskaičiuoti, kad jis gali būti ne didesnis už
keturis milijardus kilometrų. Paskutinės žinomos planetos – Plutono –
orbitos spindulys lygus maždaug šešiems milijardams kilometrų. Taigi, ši
sfera turėtų būti ne toliau kaip Saulės sistemos viduje.
Planetų (graikiškai aster planetes reiškia klajojančias žvaigždes)
judėjimas žvaigždžių fone visada atrodė labai sudėtingai.
Pav. 1.9. Marso judėjimo trajektorija, kaip ji matoma iš Žemės.
Kiek žinoma, pirmas bandęs jame susigaudyti buvo Pitagoras (580-500 BC),
kuris šį judėjimą netgi tapatino su muzikine harmonija. Analogija buvo
paremta tuo, kad garso dažnis priklauso nuo stygos ilgio panašiai kaip
planetos apsisukimo periodas – nuo jos atstumo nuo Saulės. Konkretesnis
buvo Platonas (427-347 BC), priskyręs kiekvienai planetai permatomą bet
kietą sferą, kuri judėjo (sukosi) nešdama “savo” planetą. Platono mokinys
Aristotelis (384-322 BC) šį mokslą patobulino, padidindamas sferų skaičių
iki 55. Visiško tobulumo sferų moksle pasiekė Ptolemėjus. Jo darbe,
paskelbtame apie 150 AD, operuojama su 40 orbitų, leidusių aprašyti
pagrindinių planetų judėjimą dideliu tikslumu, nepagerintu 14 amžių (iki
Ticho Brage ir Johano Keplerio darbų pasirodymo). Viduramžių arabai šį
darbą vadino Almagest, kas reiškė didžiausią tobulybę.
Esminę Ptolemėjaus sistemos transformaciją atliko Kopernikas (1473-1543),
pernešdamas Visatos centrą iš Žemės į Saulę. Jo darbas vadinosi “Apie
dangaus sferų judėjimą”. Jame nebuvo jokių naujovių dėl žvaigždžių sferos,
vietoje 40 Ptolemėjaus sferų teko įvesti 48, bet planetų judėjimo aprašymas
netapo tikslesnis, ir esminis argumentas, kodėl Visatos centre yra Saulė,
buvo tas, kad ji yra pagrindinė, nes viską apšviečia, bet pati idėja
pasirodė labai teisinga ir neįkainojama.
Pav. 1.10. Planetos ir sferos.
Visos minėtos teorijos, kaip matome, net nekėlė klausimo, kodėl šios sferos
juda. Platonas netgi teigė, kad judančios be priežasčių žvaigždės turi
sielas. Mažiausiai du tūkstančius metų nesuvokiama protu jėga, judinanti
planetas ir žvaigždes, turėjo būti dieviškos arba bent jau nežemiškos
prigimties, ir šis faktas itin skatino visokių mitų ir pasakų populiarumą.

Tikiuosi, kad įdėmiai perskaitę šią knygą turėtumėt suvokti protingus ir
todėl gana paprastus atsakymus į šiuos net ir šiandien dar gana sudėtingus
klausimus. Visatos paslapčių liks, bet jos bus jau ne tokios skaitlingos ir
ne tokios paprastos.
Medžiaga bus pateikiama tokiu pat būdu, kaip vystėsi pati astronomija –
plečiant apžvelgiamą sritį ir nuosekliai iš pradžių aiškinant, kas stebima,
tai yra kaip ši sistema atrodo, o po to – bandant išaiškinti, kodėl yra
būtent taip, o ne kitaip. Šioje vietoje, žinoma, tuoj pat kyla abejonės, ar
tai, kaip sistema atrodo, turi ryšį su tuo, kokia ji yra iš tikrųjų.
Vienintelė garantija šiuo atveju yra visuotinai priimti reikalavimai
mokslinei teorijai. Ji turi ne tik aprašyti stebimus reiškinius, bet ir
teisingai nuspėti dar nestebėtus. Jei kokia teorija šios sąlygos netenkins,
apie ją nekalbėsime, arba užsiminsime, specialiai pabrėždami jos silpnąsias
vietas.
Klasikinis tiesos paieškų pavyzdys yra Niutono visuotinės traukos teorija.
T.Bragės planetų judėjimo stebėjimų rezultatai buvo tvarkingai surašyti
daugelyje tomų, tačiau susigaudyti juose jis pats nepajėgė. Tai pavyko tik
jo mokiniui J.Kepleriui, kuris surado tuose rezultatuose keletą dėsningumų,
kurie žinomi kaip trys Keplerio dėsniai. Galileo Galilėjus, pasigaminęs
savo garsųjį teleskopą ir pažvelgęs į Jupiterį pamatė keturis jo
didžiuosius palydovus ir lengvai įsitikino, kad jų judėjimas tenkina tuos
pačius Keplerio dėsnius, surastus tiriant planetų judėjimą. Tai
akivaizdžiai pademonstravo, kad ir Saulės, ir Jupiterio palydovų judėjimą
sukelia tos pačios jų sąveikos jėgos, o valdo tie patys gamtos dėsniai.
Deja, paaiškinti, kodėl planetos juda būtent pagal šiuos dėsnius, jis irgi
nesugebėjo. Tai padarė I.Niutonas, kuriam teko būtent šiam tikslui sukurti
šiuolaikinės matematikos – diferencialinio ir integralinio skaičiavimo –
pagrindus. Vieną integralą jis integravo 20 metų, tačiau galų gale viską
išsiaiškino. Sukurta teorija ne tik paaiškino Mėnulio ir planetų judėjimą,
Keplerio dėsnius ir Bragės stebėjimų rezultatus, bet ir dabar, praėjus
daugiau kaip 300 metų, beveik tokiame pat pavidale naudojama bet ką
konstruojant, statant arba leidžiant kokią nors raketą. Per šį laiką
paaiškėjo ir jos taikymo ribos. Jei kūnai juda dideliais greičiais, vietoje
Niutono klasikinės mechanikos tenka taikyti Einšteino reliatyvistinę.
Mikroskopinių kūnų, tokių kaip molekulės, atomai ar dar smulkesni,
aprašymui tenka naudoti kvantinę mechaniką. Tai nė kiek nesumenkina Niutono
teorijos, nes mesto į viršų akmens arba leidžiamo į orbitą kosminio laivo
judėjimui aprašyti nei reliatyvumo teorija, nei kvantinė mechanika
nereikalingos.
Pastabesnis skaitytojas, tikriausiai, jau suprato, kad šiuolaikinis mokslas
ir savo išvadomis, ir pačia savo esme, paremta tuo, kad pasitikėti galima
tik patikrintomis ir galiojančiomis plačiausiam reiškinių ratui teorijomis,
rimtai konfliktuoja su tiesomis, kuriomis kartais primityviai agituojama
tikėti be jokių išlygų, kokios keistos jos bebūtų. Mokslinei teorijai, kuri
turi minėtus griežtus, pagrįstus ir protingus savo gerumo kriterijus, tokių
tiesų egzistavimas jokios įtakos turėti negali. Tas pats galioja ir
sąžiningiems mokslininkams. Būrėjų ir astrologų pranašystės, ekstrasensų
poveikiai nestabilios psichikos žmonėms, religijos mitai ir dogmos jokiu
būdu netenkina išvardintų mokslinės teorijos kriterijų.
Taigi, reziumuojant galima pasakyti, kad sąžiningai traktuojami
šiuolaikiniai gamtos mokslų rezultatai rodo, kad “Visata yra be ribų
erdvėje, be pradžios ir pabaigos laike ir be kokių nors galimų darbų
Kūrėjui” (iš Carl Sagan pratarmės S.Hawking knygai “A brief history of
time”). Nors verta prisiminti ir Alfonsą X Išmintingąjį (1221 – 1284) –
Kastilijos ir Leono (dabar Ispanija) karalių, poetų ir astronomų globėją,
kuris yra pasakęs, kad “jei jo prakilnybė viešpats dievas prieš kūrimą būtų
su manimi pasikonsultavęs, aš būčiau pataręs jam padaryti ką nors
paprastesnio”.

Klausimai

1. Kiek žvaigždžių plika akimi galima apytikriai suskaičiuoti danguje

giedrą naktį?

2. Koks Visatos amžius?

3. Žiūrėdami naktį į giedrą dangų matome vieną iš .

mūsų galaktikos žvaigždžių?

4. Išvardinkite keletą astronomijos mokslo tyrimo sričių

5. Kodėl žvaigždžių sfera negalėtų suktis apie Žemę?

6. Kokie yra pagrindiniai mokslinio tyrimo metodo etapai?

7. Kokios planetos matomos plika akimi?

8. Pateikite keletą pseudomokslų pavyzdžių.

2. Arčiausieji Visatos objektai – Žemė, Saulė ir Mėnulis

Taigi, Žemė yra apvali ir pati sukasi apie savo ašį, nes žvaigždės yra per
toli, kad galėtų taip greitai ir visos vienu metu kas parą apie mus
apsisukti.
Pav. 2.1. Žemė iš kosmoso (NASA).
Kur nukreipta jos sukimosi ašis, žinoma labai seniai. Ji eina per abu Žemės
polius, ir šiaurinis galas visiškai atsitiktinai šiuo metu “remiasi”
danguje į Šiaurinę žvaigždę. Jeigu, nukreipę į tą Šiaurinę žvaigždę
paliktume visai nakčiai įjungtą fotoaparatą, išryškinę juostelę pamatytume,
kad visos žvaigždutės pasisuka per naktį apie ją ratu. Laikui bėgant tas
ašies “rėmimosi” taškas, nors ir lėtai, bet kinta.
Pav. 2.2. Pietų poliaus nuotrauka po 10.5 valandų ekspozicijos.
Įvertinkime pirmiausia, kokiu greičiu sukasi Žemės paviršiaus taškai ir
įsitikinkime, kokia išcentrinė jėga dėl to atsiranda. Greičiausiai Žemė
juda pusiaujyje, todėl suradę tų taškų judėjimo greitį, galėsime būti
tikri, kad radome jo didžiausią vertę, nes poliuose esantys taškai
nesisuka, o tolstant nuo poliaus greitis tolydžio didėja. Pilnas Žemės
apskritimo ilgis pusiaujuje sudaro apie 40 000 kilometrų, ir toks atstumas
nuskriejamas per parą, tai yra per 24 valandas. Padalinę gauname, kad
greitis yra kiek didesnis negu 1662 km per valandą. Lietuva yra maždaug 55
laipsnių platumoje, todėl šioje vietoje paviršiaus taškų sukimosi greitis
kiek mažesnis nei pusiaujuje. Jis gaunamas pateiktą padauginus iš šio kampo
kosinuso. Gaunasi maždaug 953 kilometrai per valandą. Šiuolaikiniai
laineriai skraido panašiais greičiais, todėl galima įsivaizduoti, kad mūsų
platumoje skrendantis lėktuvas galėtų viename taške pakilti, o kitame
nusileisti tuo pačiu vietos laiku. Išcentrinė jėga, kylanti dėl to
sukimosi, lygi greičio kvadratui, padalintam iš to taško atstumo nuo Žemės
sukimosi ašies. Pusiaujuje ji gaunasi lygi 3,36 cm/s2, tuo tarpu laisvojo
kritimo pagreitis (980 cm/s2) yra maždaug 300 kartų didesnis. Dėl šios
priežasties netgi pusiaujuje esantį kūną prie Žemės traukianti jėga yra
beveik tris šimtus kartų didesnė už išcentrinę jėgą, kuri bando tą kūną
pakelti nuo Žemės paviršiaus. Aišku, kad tas sukimasis yra per lėtas, kad
jo sukelta jėga galėtų kaip nors pastebimiau pasireikšti kasdieniniame
gyvenime.
Kadangi Saulė teka iš rytų, nesunku susigaudyti, kad Žemė sukasi iš vakarų
į rytus, arba žiūrint iš Šiaurės poliaus – prieš laikrodžio rodyklę.
Be judėjimo apie savo ašį Žemė dar juda orbita apie Saulę, apsukdama pilną
ratą tarp dviejų tapatingų orientacijų Saulės atžvilgiu per metų laikų
kitimo periodą, vadinamą metais, tai yra per 365.2422 paras. Būtent dėl to,
kad šis skaičius nėra lygus sveikam skaičiui ar kokiai nors jo paprastai
daliai, reikalingi keliamieji metai ir kitokios kalendoriaus modifikacijos,
kurias išsiaiškinsime 7 Skyriuje. Žemės orbita yra beveik apskritimas,
kurio vidutinis spindulys, vadinamas astronominiu vienetu (AV), sudaro apie
150 milijonų kilometrų. Kitais žodžiais tariant, šviesa, kurios greitis
lygus 300 000 kilometrų per sekundę, iš Saulės į Žemę ateina maždaug per
aštuonias minutes. Šis atstumas metų bėgyje truputį kinta, kadangi Žemė,
kaip ir kitos planetos, juda ne apskritimu, o elipse, kurios viename
židinių yra Saulė. Dėl šios priežasties sausio mėnesį atstumas tarp Žemės
ir Saulės lygus 147, o liepos mėnesį – 152 milijonams kilometrų. Taigi, ši
elipsė nuo apskritimo skiriasi nežymiai, ir todėl galima visai pagrįstai tą
orbitą laikyti apskritimu, kurio spindulys lygus AV. Turint šiuos duomenis,
nesunku surasti Žemės judėjimo savo orbitoje greitį, nes per metus ji
nuskrieja tą apskritimą, kurio ilgis yra 2(*AV, o metai turi maždaug 32
milijonus sekundžių. Greitis gaunasi nemažas, apie 30 km/s, bet išcentrinis
šio judėjimo orbita pagreitis dėl labai didelio jos spindulio yra dar
mažesnis nei anksčiau skaičiuotas ir sudaro tik apie 0,6 cm/s2. Taigi, šio
sukimosi sukeliamų jėgų praktiškai irgi nepastebime.
Plokštuma, kurioje guli Žemės orbita, vadinasi Ekliptikos plokštuma. Metų
laikai – žiema, pavasaris, vasara ir ruduo – keičia vienas kitą tik todėl,
kad Žemės pusiaujo ir Ekliptikos plokštumos nesutampa, o yra orientuotos
viena kitos atžvilgiu 23.5 laipsnių kampu. Kitais žodžiais tariant, Žemės
sukimosi ašis yra ne statmena Ekliptikos plokštumai, o sudaro su statmeniu
irgi tokį pat kampą. Šio kampo dydis judant Žemei orbita nekinta, nes to
neleidžia judesio kiekio momento tvermės dėsnis. Dėl šios priežasties mūsų
nuotrauka yra praktiškai tokia pati, nepriklausomai nuo to, kada
fotografuota – vasarą, žiemą ar kitu metų laiku. Minėtas tvermės dėsnis,
tačiau, leidžia Žemės sukimosi ašiai suktis apie statmenį Ekliptikos
plokštumai, bet kadangi kiekvienas toks apsisukimas trunka maždaug 25 725
metų, šis ašies sukimasis, vadinamas precesija, praktiškai nestebimas.
Šiuolaikiniais prietaisais jį galima aptikti per keletą naktų, bet stebint
neginkluota akimi tam gali prireikti šimtmečių. Tarp kitko, senovės graikai
šį reiškinį yra atradę maždaug prieš du tūkstančius metų.
Pav. 2.3. Sfera, kurią danguje brėžia Žemės ašis.
Dabar priedo dar nustatyta, kad ir pati Žemės orbita sukasi apie Saulę ir
netgi šiek tiek kinta jos ekscentricitetas. Vienas toks apsisukimas įvyksta
per 111 270 metų, taigi yra dar sunkiau pastebimas ir išmatuojamas. Jei
įsivaizduotume, kad galime pažvelgti į Saulės sistemą iš išorės, tai
žiūrint iš tos pusės, į kurią nukreipta Žemės sukimosi ašis (jos šiaurės
polius), pamatytume, kad Žemė, kaip ir visos kitos planetos, juda apie
Saulę kryptimi prieš laikrodžio rodyklę.
Pabandykime išsiaiškinti, kas tai yra para. Įsivaizduokite, kad esate
pusiaujuje ir tam tikru momentu Saulė yra jums tiesiai virš galvos.
Apsisukus Žemei 360 laipsnių kampu apie savo ašį, tai yra kitą dieną
maždaug tuo pat metu, dėl Žemės judėjimo orbita apie Saulę, ji bus jau
kitoje vietoje, ir Saulė dar nebus tiesiai virš galvos. Tai įvyks tik po
keturių minučių. Para, tai yra 24 valandos, pagal susitarimą lygi ne
laikui, per kurį Žemė apsisuka apie savo ašį, bet laiko intervalui tarp
dviejų artimiausių momentų, kai Saulė būna zenite tame pačiame Žemės taške.
Pilno Žemės apsisukimo apie savo ašį laikas lygus 23 valandoms, 56 minutėms
ir 4 sekundėms. Tai vadinama žvaigždžių para, priešingai Saulės parai,
lygiai 24 valandoms. Aišku, kad 24 valandos yra vidutinė Saulės paros
trukmė, nes Saulės paros ilgis nėra pastovus metų bėgyje dėl to, kad pati
Žemė savo orbita juda ne visai pastoviu greičiu. Jis yra kiek mažesnis, kai
ji yra toliau nuo Saulės, ir kiek didesnis priartėjus.
Visi turbūt gerai žinote, kad dienos ilgis Lietuvoje visus metus kinta,
pasiekdamas didžiausią vertę birželio trečiajame dešimtadienyje (tada ji
ilgesnė nei 17 valandų) ir mažiausiąją vertę – po pusės metų, tai yra
gruodžio gale, kai jos ilgis neviršija 7 valandų. Keliaujant į pietus šis
skirtumas vis mažėja, o į šiaurę – vis didėja. Poliariniame rate, tai yra
siauroje juostoje, kurios taškai vienodai nutolę nuo poliaus, ir visų jų
šiaurės platuma lygi 66.5 (tai yra 90 – 23.5) laipsnio, šis dienos ir
nakties trukmių skirtumas yra toks, kad vieną parą metuose (birželio gale)
Saulė čia iš viso nenusileidžia, o vieną parą gruodžio gale – iš viso
nepakyla virš horizonto. Kuo toliau į šiaurę už poliarinio rato, tuo
daugiau vasarą tokių labai ilgų dienų, trunkančių visą parą, ir tuo daugiau
žiemą trunkančių visą parą naktų. Galų gale, pačiame šiaurės poliuje Saulė
pusę metų iš viso nenusileidžia už horizonto, o kitą pusę metų virš jo
nepakyla.
Iš kitos pusės, Saulė zenite gali būti tik srityje apie pusiaują, kurio
platuma ne didesnė kaip 23.5 laipsnių. Pas mus Lietuvoje tai negręsia, nes
platuma, kaip minėta, lygi maždaug 55 laipsniams.
Pav. 2.4. Žemė tuomet, kai šiaurės pusrutulyje vasara ir tuomet, kai jame
žiema.
Pabaigai tikslinga tarti keletą žodžių apie Žemę kaip dangaus kūną. Ji
panaši į rutulį, kurio spindulys apytikriai lygus 6367 km (pusiaujyje
maždaug 21 kilometru didesnis negu poliuje), o masė – 5.974*1024 kg.
Vidutinis tankis lygus 5.517 kg/dm3. Paviršiuje jis mažiausias, ir siekia
iki 3 kg/dm3, o giliau didėja, pasiekdamas centre apie 13 kg/dm3
(palyginimui reikia priminti, kad vandens tankis lygus 1 kg/dm3).
Nuotraukose iš kosmoso Žemė panaši į deimantą. Ypatinga atmosferos sudėtis
ir jos viršutinių sluoksnių struktūra yra labai palankios atspindėti
šviesai, todėl jos albedo (šviesos atspindžio koeficientas) lygus 0.31.
Kadangi Mėnulis neturi atmosferos, jo albedo lygus tik 0.07 ir todėl jis
yra daug tamsesnis už Žemę. Žemės nuotrauka, padaryta Mėnulyje, yra tiesiog
įspūdinga. Gal taip yra dar ir dėl to, kad žiūrint iš Mėnulio Žemė atrodo
keturis kartus didesnė už Saulę.
Pav. 2.5. Žemė ir Saulė, matomos iš Mėnulio.
Deja, Žemė yra labai trapus dangaus kūnas, jos paviršinis kietas sluoksnis
(pluta) yra tik 5-10 kilometrų storio po okeanais ir 30-50 kilometrų – po
žemynais. Giliau esanti maždaug 2 900 km storio mantija yra žymiai
paslankesnė, gal net ir skysta substancija. Ji pamažu pereina į šerdį,
kurios spindulys sudaro apie 3 450 km. Vidinėje srityje (branduolyje)
šerdis yra sudaryta iš didelio tankio kietos medžiagos, kurioje daug
metalo. Dėl esančių Žemės viduje radioaktyviųjų elementų temperatūra einant
gilyn į Žemę greitai kyla, prie paviršiaus kas kilometras padidėdama
maždaug 25 laipsniais. Žemės centre ji gal net siekia 6-7 tūkstančius
Kelvino laipsnių.
Žemės paviršinis sluoksnis yra sudarytas iš dalių, judančių viena kitos
atžvilgiu. Tas judėjimas sukelia Žemės drebėjimus ir ugnikalnių
išsiveržimus, o susidūrimų metu yra susiformavę kalnynai. Dėl šių procesų
Atlanto vandenyno centre besiveržianti magma formuoja kalnagūbrį, kurio
šiaurinis galas jau yra išlindęs virš vandens. Tai – Islandija.
Pav. 2.6. Atlanto vidurio kalnagūbris.
1989 metų Kalifornijos žemės drebėjimas buvo sukeltas įtempimų,
susikaupusių po 1906 metų drebėjimo. Per paskutiniuosius prieš drebėjimą
šešerius metus Ramiojo vandenyno ir Šiaurės Amerikos plokštės, kurios
nuolatos juda viena kitos atžvilgiu maždaug 2 cm per metus greičiu, buvo
galutinai susikabinę. Susikaupęs per tą laiką 12 cm poslinkio deficitas
drebėjimo metu privertė tas plokštes pasislinkti viena kitos atžvilgiu apie
pusę metro.
Žemės paviršių dengia dujų sluoksnis – atmosfera, kurios tankis tolydžio
mažėja, todėl storis, kuriame jis yra pakankamai didelis, sudaro taip pat
tik kelias dešimtis kilometrų. Būtent atmosferos buvimas yra viena būtinų
mūsų egzistavimo sąlygų ir to komforto, kuriame gyvename, priežastis. Jei
jos nebūtų arba ji būtų nepakankamai tanki, sąlygos Žemėje pastebimai
suprastėtų. Pirmiausia, niekas nesaugotų nuo nuolatinio meteoritų lietaus,
antra – žymiai padidėtų dienos ir nakties temperatūrų skirtumas ir galėtų
būti netgi pažeistas vandens apykaitos ciklas (įsivaizduokite, kas būtų,
jei kiekvieną naktį užšaltų visi vandens telkiniai, o kiekvieną dieną
užvirtų). Atmosfera, sugerdama Saulės spinduliuotę, įkaista. Priklausomai
nuo įvairių elementų ir junginių, skirtingai pasiskirsčiusių įvairiuose
atmosferos sluoksniuose ir sugeriančių skirtingų bangų ilgių spindulius,
jos temperatūra yra labai įvairi. Svarbus Žemės skydas nuo pražūtingo
Saulės vėjo poveikio yra jos magnetosfera, sąlygojama gana stipraus vidinio
magnetinio lauko buvimo.
Pav. 2.7. Temperatūros pasiskirstymas atmosferoje.
Pav. 2.8. Žemės magnetosfera.
Centrinis sistemos kūnas – Saulė, apie kurią sukasi visos planetos, yra
normali, niekuo neišsiskirianti žvaigždė. Stebima daug šimtus kartų
didesnių ir milijonus kartų šviesesnių žvaigždžių. Apie Saulę ir kitas
žvaigždes mes dar kalbėsime smulkiau, todėl dabar aptarkime tik
svarbiausias jos savybes. Jos diametras lygus 108.97 Žemės diametrų, o
vidutinis tankis sudaro tik 1.409 kg/dm3, tai yra beveik keturis kartus
mažesnis už Žemės tankį. Vis tik Saulės masė 332 830 kartų didesnė už Žemės
masę. Ji sudaro 99.85 procentus visos Saulės sistemos, tai yra Saulės,
devynių didžiausių planetų, kometų, asteroidų, meteoritų ir tarpplanetinės
erdvės, masės. Trumpai tariant Saulė yra sudaryta iš nedidelės šerdies,
kurioje vyksta branduolinės reakcijos ir gaminama energija, ir supančio ją
šviečiančių dujų debesies, kurio paviršių mes ir matome. Būtent tas lengvas
dujų debesis taip stipriai ir įtakoja vidutinio Saulės tankio dydį, labai
jį sumažindamas netgi palyginus su Žemės tankiu. Temperatūra Saulės centre
yra apie 16 milijonų laipsnių, o tankis – apie 160 kg/dm3, gi paviršiuje
siekia tik apie 6 tūkstančius laipsnių. Nustatyta, kad Saulė irgi sukasi
apie savo ašį, tačiau jos apsisukimo periodai yra skirtingi įvairiose
vietose – centras apsisuka per 27 Žemės paras, pusiaujas – per 25.7, o
polių aplinka – per 33 paras. Saulės pusiaujo plokštuma irgi nesutampa su
Ekliptikos plokštuma, bet yra pakrypusi į ją 7.25 laipsnio kampu. Žiūrint
iš Žemės šiaurės poliaus pusės, Saulė, kaip ir Žemė, sukasi kryptimi prieš
laikrodžio rodyklę.
Pav. 2.9. Saulės panorama.
Antrasis svarbiausias mūsų kaimynas yra Mėnulis. Jo paviršius, kaip ir
Žemės, yra kietas. Matomos ir plika akimi tamsesnės jo paviršiaus sritys
dar nuo Renesanso laikų vadinamos jūromis, nes buvo manoma, kad jos
užpildytos vandeniu. Žvilgterėjus kad ir per primityvų teleskopą, lengva
pastebėti Mėnulio paviršiuje apvalias įdubas. Buvo manoma, kad tai yra
Mėnulio vulkanų krateriai, tačiau pasigilinus nustatyta, kad Mėnulis yra
visai atvėsęs ir nerodo jokio vulkaninio aktyvumo, ir jie yra atsiradę
susidūrus su įvairiais atsitrenkusiais į paviršių kūnais. Mėnulio
diametras, lygus 3476 km, sudaro maždaug ketvirtį (tiksliau – 0.273) Žemės
diametro, o masė – 0.0123 (apytikriai 1/81) Žemės masės. Tankis irgi
mažesnis nei Žemės ir lygus 3.34 kg/dm3. Kadangi Mėnulis neturi atmosferos,
jo paviršiaus temperatūra dieną lygi maždaug plius 130 Celsijaus skalės
laipsnių, o naktimis nukrenta iki minus 170 laipsnių. Mėnulis apskrieja
Žemę per 27.32 Žemės paros (tai yra Mėnulio “metai”), o jo apsisukimo apie
savo ašį laikas (Mėnulio diena) irgi tiksliai lygus 27.32 Žemės paros,
todėl į Žemę nuolatos būna atkreipta ta pati jo pusė. Šį reiškinį, kuris
būdingas daugeliui dangaus kūnų porų, sąlygoja potvynio bangos, kurias
vienas jų sukelia antrajam. Mėnulio keliami potvyniai stabdo Žemės
sukimąsi. Lygiai taip pat Žemės sukeliamos Mėnulio plutos deformacijos
“potvynio bangos”, nuolatos sklidusios jo paviršiumi, jau prieš daugelį
amžių sustabdė Mėnulio sukimąsi, nes Žemės poveikis Mėnuliui yra žymiai
didesnis už Mėnulio poveikį Žemei. Taigi, ilgainiui Mėnulio “potvynio
banga” pradėjo nebesklisti jo paviršiumi, nes paprasčiau tapo jam Žemės
link vis pasisukti savo masyvesniąja puse.
Pav. 2.10. Mėnulis.
Vidutinis Mėnulio orbitos spindulys lygus 384 401 km (arba maždaug 60.4
Žemės spindulio; tokį atstumą nuo pagaminimo iki rimto remonto nuvažiuoja
miesto autobusas); Mėnulio atstumas nuo Žemės nėra pastovus, o kiekvieno
apsisukimo metu pakinta nuo mažiausios vertės, lygios 363 297 km iki
didžiausios, lygios 405 505 km. Mėnulio orbitos plokštuma orientuota
originaliai ir nesutampa nė su viena išvardintų. Ji yra pakreipta 5
laipsnių kampu į Ekliptikos plokštumą. Dėl šios priežasties palyginti retai
pasitaiko Mėnulio ir dar rečiau – Saulės užtemimai. Jie gali įvykti tiktai
tada, kai Saulė, Žemė ir Mėnulis išsirikiuoja beveik vienoje tiesėje ir
Mėnulis patenka į Žemės šešėlį (Mėnulio užtemimas) arba Mėnulio šešėlis
krenta į Žemę (Saulės užtemimas). Deja, netgi tokiu atveju užtemimai ne
visada įvyksta, nes tuomet, kai Mėnulis būna maksimaliai nutolęs nuo Žemės,
jo šešėlio intensyvioji dalis (umbra) Žemės nepasiekia. Saulės užtemimo
metu Mėnulio šešėlis dengia tik dalį Žemės paviršiaus ir gana greitai juda.
Pav. 2.11. 2003.05.15-16 dienomis vykusio Mėnulio užtemimo matomumo Žemėje
žemėlapis (NASA).
Pav. 2.12. Vaizdas, kuris Mėnulio užtemimo metu matosi iš paties Mėnulio
(NASA).
Mėnulio judėjimo orbitoje kryptis vėlgi yra tokia pati, kaip Saulės planetų
ir Žemės, tai yra stebint iš Žemės šiaurės poliaus – prieš laikrodžio
rodyklę. Mėnulis ne tik juda orbita apie Žemę, bet tuo pat metu kartu su
Žeme skrieja apie Saulę. Dėl šios priežasties Mėnuliui apskriejus Žemę, tai
yra kai po 27 parų, 7 valandų ir 43 minučių jis atsiduria toje pačioje
vietoje žvaigždžių atžvilgiu (tai ir vadinama žvaigždiniu periodu), Saulės
atžvilgiu jis dar nebūna orientuotas taip pat kaip pradiniu momentu. Tai
įvyksta tik po dviejų parų. Šis didesnysis periodas, lygus 29 paroms, 12
valandų ir 44 minutėms būtent ir yra vadinamas Mėnulio mėnesiu. Tokiu
dažniu kartojasi Mėnulio fazės – pilnatis (kai jis yra priešingoje pusėje
negu Saulė), delčia, jaunas (kai jis atsiduria toje pačioje pusėje kaip
Saulė) ir priešpilnis.
Pav. 2.13. Mėnulio fazės.
Kaip žinote, Mėnulis sukelia Žemėje reguliariai besikartojančius potvynius
ir atoslūgius. Kitas galimos Mėnulio įtakos gyvenimui Žemėje pasireiškimas
yra susijęs su įvairiais prietarais apie jo fazių reikšmę. Tai, kad Mėnulio
fazės negali turėti įtakos kokiai nors tešlai, autobusų kursavimo
tvarkaraščiui arba egzaminų rezultatams, matyt tikite kiekvienas, tačiau
yra ir kitokių, ne taip akivaizdžiai kvailų prognozių. Pavyzdžiui,
laikraščiuose kiekvieną pavasarį spausdinamas agronomų sudarytas sėjos
kalendorius, kuriame rekomenduojama sėjant ar sodinant atsižvelgti į
Mėnulio fazes. Pabandykime išsiaiškinti, ar tai gali turėti kokią nors
įtaką augalams, ar tokios rekomendacijos analogiškos astrologų panašystėms.
Pradėkime nuo potvynių, nes jie ir yra raktas minėtiems atsakymams rasti.

|Žemė |1 |
|Saulė |8.6*10-4 |
|Mėnulis |3.4*10-6 |
|Venera |1.9*10-8 |
|Jupiteris |3.3*10-8 |
|Artimiausia žvaigždė |1.4*10-14 |
|Paukščių Takas |2.1*10-11 |
|Artimoji galaktikų grupė |10-15 |

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

Kaip matome iš 1 Lentelės, Saulė veikia ant Žemės esantį kūną beveik 250
kartų didesne jėga, negu Mėnulis. Panašiai kaip ir Mėnulis, žiūrint iš
Žemės, ji kiekvieną parą apsisuka aplink Žemę, tačiau niekas nesako, kad ji
gali sukelti tokius potvynius, kaip Mėnulis.
Problemos sprendimo raktas yra tas, kad visuotinės traukos dėsnyje sąveika
tarp dviejų masių proporcinga toms masėms ir atvirkščiai proporcinga
atstumo tarp jų kvadratui. Kas yra tas atstumas, pasakyti, jei gerai
pagalvosime, ne taip jau ir paprasta. Įsivaizduokite šalia viena kitos
padėtas dvi liniuotes. Nuo kurių taškų matuoti atstumą tarp jų? Jį galima
apibrėžti labai plačiose ribose. Rekomenduotas mokykloje tokiu atveju
atstumas tarp masių centrų paprasčiausiai duoda klaidingą rezultatą. Norint
gauti teisingą atsakymą, reikia susumuoti sąveikas tarp visų vienos ir
kitos liniuotės molekulių. Tik tuo atveju, jei vietoje liniuočių
nagrinėtume dviejų taisyklingų rutulių sąveiką, susumavę visas šias
sąveikas gautume tokį pat rezultatą, kaip imdami atstumą tarp jų masių
centrų ir leisdami, kad kiekvienos sferos masė sukoncentruota šiame viename
taške, tai yra mokyklinę Visuotinio traukos dėsnio formulę. Būtent
skaičiuodamas šią sumą I. Niutonas ir sukūrė šiuolaikinės aukštosios
matematikos pagrindus. Bendru atveju sąveikoja kiekviena Žemės molekulė su
kiekviena Mėnulio molekule. Pažvelkime dabar atidžiau į Žemę. Tos jos
paviršiaus dalys, kurios yra atkreiptos į Mėnulį, yra traukiamos žymiai
stipriau negu esančios, žiūrint iš Mėnulio, Žemės kraštuose arba
priešingoje jos pusėje. Tai ir sąlygoja vandens tekėjimą iš pakraščių į abi
puses – ir į tą, kuri atkreipta į Mėnulį, ir į priešingą. Dėl šios
priežasties potvyniai toje pačioje vietoje kartojasi ne kas 24, o maždaug
kas 12 valandų. Visiškai tiksliai šnekant, dėl santykinio Žemės ir Mėnulio
judėjimo potvyniai kasdien dar apie 50 min vėluoja, todėl toje pačioje
vietoje vyksta įvairiu paros metu. Ežere arba nedidelėje jūroje, tokioje
kaip Baltijos jūra, didelių potvynių nebūna todėl kad jėgų, kuriomis
Mėnulis veikia vieną arba kitą jo (jos) pakraštį, skirtumas yra labai
mažas. Saulė tokių didelių potvynių nesukelia dėl tos pačios priežasties –
ji yra labai toli nuo Žemės, palyginus su Mėnuliu, ir todėl jėgų,
veikiančių dienos ir nakties puses, skirtumas yra maždaug du kartus
mažesnis. Reikia pažymėti, kad minėtos potvynio jėgos sukelia ne tik
vandens masių, kas lengviausiai pastebima, bet ir atmosferos, o taip pat ir
Žemės paviršiaus deformacijas, siekiančias kelias dešimtis centimetrų.
Potvyniai lėtina Žemės sukimąsi, todėl para nuolatos kiek ilgėja (maždaug
pusantros sekundės per šimtą tūkstančių metų). Dėl to paties judesio kiekio
tvermės dėsnio, siekdamas kompensuoti šį momento nuostolį, Mėnulis tolsta
nuo Žemės kokių 3 – 4 centimetrų per metus greičiu. Paprasti skaičiavimai
rodo, kad netgi Žemei visai nustojus suktis, jis vis tik liktų jos
palydovu.
Visų trijų kūnų – Saulės, Žemės ir Mėnulio – sąveika gali sukelti
papildomus efektus, sustiprinančius šiuos potvynius, kai jie išsidėstę
vienoje tiesėje, tai yra kai Mėnulis yra pilnaties arba jauno fazėje, ir
silpninančius juos Mėnuliui esant delčios ir priešpilnio fazėse. Toks
poveikis gali palengvinti daigų prasikalimą, todėl sėjos kalendoriai su
astrologija ryšio neturi ir yra žymiai rimtesni, verti pasitikėjimo
dokumentai.
Beveik visos šių trijų kūnų ir jų orbitų savybės daugiau ar mažiau tiksliai
yra žinomos jau labai seniai, daugiau nei du tūkstančius metų.

Klausimai

1. Kokiu greičiu juda Žemės paviršiaus taškai pusiaujuje dėl nuolatinio

jos sukimosi apie savo ašį?

2. Kodėl Žemėje yra metų laikai?

3. Jeigu fotoaparatą, nukreiptą į Šiaurinę žvaigždę, paliksime visai

nakčiai, kokias žvaigždžių judėjimo trajektorijas pamatysime

išryškintoje nuotraukoje?

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

5. Kiek maždaug kartų Žemės traukos jėga pusiaujuje yra didesnė už

išcentrinę jėgą, atsirandančią dėl Žemės sukimosi?

6. Kas tai yra astronominis vienetas?

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

8. Kada Žemė yra arčiausiai prie Saulės?

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

10. Kaip keičiasi Mėnulio orbita lėtėjant Žemės sukimuisi?

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

12. Temperatūra Žemės centre apytikriai lygi?

3. Saulės imperija. Grožis ir pavojai – planetos, asteroidai ir kometos

Saulės, Mėnulio ir Žemės judėjimą daugmaž išsiaiškinome praėjusioje
paskaitoje. Žemė, deja, yra tik vienas iš devynių didžiųjų Saulės palydovų,
vadinamų Saulės sistemos planetomis, o Mėnulis – vienintelis ne dirbtinis
Žemės palydovas. Taigi, kitais žodžiais tariant, Saulė turi devynis
mėnulius.
Penkios pirmosios planetos yra lengvai matomos iš Žemės neginkluota akimi,
būtent jų judėjimas daugelį amžių taip domino astronomus. Kai kurios Saulės
planetos irgi turi palydovų (mėnulių), ir, kaip matysime, kartais netgi
daugiau negu Saulė.
Apžvelkime pirmiausia pačių planetų savybes.
Pirmiausia, aišku, reikėtų apibrėžti, kas tai yra planeta. Be jau minėtų
devynių, Koiperio žiede, esančiame dar toliau už Plutono orbitą, skrieja
tūkstančiai mažesnių ar didesnių objektų, savo dydžiu ir savybėmis
pretenduojančių vadintis tuo vardu, tačiau pagal susigulėjusias tradicijas
planetomis nevadinamų. Tie objektai yra labai toli, jie matomi tik pačiais
geriausiais teleskopais, todėl iš minėtos klasifikacijos iškrenta.
Priešingu atveju, tobulėjant stebėjimų technikai, tas sąrašas galėtų labai
išsiplėsti. Štai 2002 metais atrasta tokia “planeta”, pavadinta indėnų
dievo “Quaoar” vardu, kurios diametras tik du kartus mažesnis už Plutono, o
vidutinis nuotolis nuo Saulės sudaro apie 42 AV. Kadangi netrukus, kiek
patobulinus tuos stebėjimus, galima tikėtis aptikti ir daugiau panašių
objektų, planetomis susitarta vadinti tik tuos devynis pačius
didžiausiuosius ir arčiausiai Saulės esančius objektus, apie kuriuos čia ir
šnekėsime.
Pav. 3.1. Žemės, Mėnulio, Plutono ir Quaoar dydžių palyginimas.
Bendra visoms planetoms yra tai, kad jos visos juda apie Saulę į tą pačią
pusę. Kaip žinome, Žemės sukimosi ašis nukreipta į Šiaurinę žvaigždę. Kaip
jau anksčiau minėta, žiūrint iš tos pusės į Saulės sistemą, visos planetos
juda beveik toje pačioje (ekliptikos) plokštumoje ta pačia kryptimi – prieš
laikrodžio rodyklę.
Toliau jau prasideda skirtingumai. Pagal įvairias savybes planetas galima
suskirstyti į dvi grupes. Pirmąją sudaro vadinamosios žemiškosios, o
antrąją – dujinės išorinės jupiteriškosios planetos. Pagrindinis šių grupių
skiriamasis bruožas yra planetos tankis. Žemiškosios planetos yra tankios,
turinčios kietą paviršių, Jupiteriškosios – nedidelio tankio su difuziniu
paviršiniu sluoksniu. Visus duomenis galite pamatyti 3.1 Lentelėje. Tankiai
ten pateikti gramais į kubinį centimetrą (tai sutampa su tonomis į kubinį
metrą); priminsiu, kad vandens tankis tokioje sistemoje lygus vienetui.
Keturios žemiškosios planetos yra Žemė ir trys jos artimiausi kaimynai –
Merkurijus, Venera (vadinamos vidinės planetos, kadangi jos yra arčiau
Saulės negu Žemė) ir Marsas, kurio orbita yra toliau. Visos jos lengvai
pastebimos, todėl yra žinomos jau nuo neatmenamų laikų.
Pav. 3.2. Žemiškosios planetos – Merkurijus, Venera, Žemė ir Marsas.
Arčiausiai Saulės esanti planeta yra Merkurijus. Romėnai ją pavadino
pasiuntinuko, išnešiojančio prekes, vardu, kadangi ji “laksto” greičiau už
kitas planetas. Jos apsisukimo apie Saulę periodas yra tik 88 dienos. Pagal
savo dydį ji yra aštuntoji, mažesnio spindulio yra tik Plutonas. Saturnas
ir Jupiteris turi palydovų (mėnulių), kurie yra didesni už Merkurijų.
Merkurijus labai panašus ir į mūsų Mėnulį – abu jie turi intensyviai
subombarduotą paviršių, abu neturi atmosferos, abu geologiškai mirę jau
milijardus metų, tačiau Merkurijaus tankis yra kiek didesnis, labiau
artimas Žemės tankiui. Tai reiškia, kad jo šerdyje, kaip ir Žemės šerdyje,
yra nemažai geležies. Šerdis sudaro apie 70 – 80 % jo spindulio, o
paviršiuje yra silikatų kalnai. Atmosferos Merkurijus beveik neturi, todėl
jo paviršius dieną įkaista iki 427 laipsnių, o naktį – nukrenta iki minus
173 laipsnių (vidutinė temperatūra lygi 179 Celsijaus laipsniams). Kadangi
Merkurijus visą laiką yra taip arti Saulės, tai jį galima pamatyti tik
tada, kai Saulė yra ką tik pasislėpusi už horizonto, arba turi greitai
patekėti. Taigi, Merkurijų pastebėti ne taip jau ir paprasta, nes jam esant
arti horizonto vaizdą iškraipo storas atmosferos sluoksnis, o albedo dėl
atmosferos nebuvimo yra ne ką didesnis už Mėnulio ir sudaro tik 0.1. Dėl
šios priežasties gerais teleskopais stebimas jis paprastai dienos metu.

|Planet|Tanki|m |r |Para |Albed|Palyd|Orbit|Metai|R3 |
|a / |s |(Žemė|(Žemė|(Žemė|o |o-vų |os |T |/T2 |
|palydo|(g/cm|s |s |s | | |spind|(Žemė| |
|vas |3 ) |masių|spind|parų)| | |ulys |s | |
| | |) |.) | | | |R |metų)| |
| | | | | | | |(a.u.| | |
| | | | | | | |) | | |
|Merkur|5.42 |0.055|0.383|58.65|0.10 |0 |0.387|0.241|0.99|
|ijus | | | | | | | | |8 |
|Venera|5.25 |0.815|0.949|-243.|0.65 |0 |0.723|0.616|0.99|
| | | | |02 | | | | |6 |
|Žemė |5.52 |1 |1 |1 |0.31 |1 |1 |1 |1 |
|(Mėnul|3.34 |0.012|0.273|27.32|0.07 | |0.002|0.074|10-6|
|is) | |3 | | | | |6 |8 | |
|Marsas|3.94 |0.11 |0.533|1.04 |0.15 |2 |1.524|1.882|0.99|
| | | | | | | | | |9 |
|Jupite|1.33 |318 |11.21|0.42 |0.52 |30 |5.203|11.86|1.00|
|ris | | | | | | | | |1 |
|Saturn|0.69 |95 |9.45 |0.42 |0.47 |18 |9.539|29.46|1.00|
|as | | | | | | | | |1 |
|Uranas|1.29 |14.54|4.01 |0.75 |0.51 |15 |19.19|84.01|1.00|
| | | | | | | | | |1 |
|Neptun|1.64 |17.14|3.88 |0.67 |0.41 |11 |30.06|164.7|1.00|
|as | | | | | | | |9 |0 |
|Pluton|2.05 |0.002|0.182|-6.39|0.3 |1 |39.53|248.5|1.00|
|as |1.83 |16 |0.1 |6.39 |0.5 | |0.000|4 |0 |
|(Charo| |0.000| | | | |1 |0.017|10-8|
|nas) | |30 | | | | | |5 | |

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

Antroji pagal tolumą nuo Saulės planeta yra Venera. Kadangi ji artimiausia
Žemei, o jos albedo dėl storo debesų apkloto yra dar didesnis nei Žemės
(0.65), ji irgi kiek panaši į brangakmenį. Gal dėl šios priežasties, o gal
dar ir dėl to, kad ji, kaip ir Merkurijus, geriausiai matoma rytais ir
vakarais, kai Saulė jau arba dar pasislėpus už horizonto, Antikos
astronomai ją pavadino grožio ir meilės deivės vardu. Venera iš pirmo
žvilgsnio atrodo kaip tikra Žemės sesuo. Abi jos labai panašios ir
tankiais, ir matmenimis. Čia panašumas, deja, baigiasi. Per keletą
pastarųjų dešimtmečių rimtai užsiėmus jos tyrimais, nustatyta, kad ji
neturi okeanų, jos atmosfera labai sunki, sudaryta pagrindinai iš anglies
dioksido, o debesys – iš sieros rūgšties lašų. Prie paviršiaus atmosferos
slėgis yra 92 kartus didesnis už tokį slėgį prie Žemės paviršiaus. Dėl
tokios tankios atmosferos aktyviai reiškiasi šiltnamio efektas (Saulės
spinduliai, pakliuvę į paviršių, yra absorbuojami ir jį šildo, o nedidelė
atsispindėjusi dalis vėlgi sugeriama atmosferoje), todėl Veneros paviršiaus
temperatūra yra pastovi, nepriklausanti nuo to, ar tas plotelis yra
apšviestas Saulės, ar ne. Aišku, ji yra pastovi ir žymiai aukštesnė nei
Merkurijaus, lygi maždaug 482o C. Venera apsisuka apie Saulę per 225 Žemės
paras, Jos para (apsisukimo apie savo ašį periodas) didesnė už metus, nes
lygi 243 Žemės paroms. Venera šiek tiek išskirtinė ir ta prasme, kad apie
savo ašį sukasi iš rytų į vakarus, tai yra priešingai nei dauguma kitų
planetų. Storas Veneros debesų sluoksnis ilgus amžius gerai slėpė jos
paviršių. Tik 1978 NASA Pioneer ekspedicija, 1983-1984 SSRS kosminiai
laivai Venera 15 ir Venera 16 bei 1990-1994 NASA Magellan radaro tyrimai
pagaliau leido atskleisti ir šias jos paslaptis. Jos paviršius pasirodė
palyginti jaunas geologine prasme ir ne taip senai (tik prieš 300-500
milijonų metų) susiformavęs. Kalnai, sudarantys apie 85% paviršiaus, turi
vulkaninę prigimtį, o įdubos užpildytos lava. Vienas lavos “liežiuvis”
tęsiasi beveik 7000 kilometrų. Vandens paviršiuje nerasta.
Trečioji planeta yra mūsų Žemė, o ketvirtoji – Marsas. Ji dar vadinama
raudonąja planeta, nes jos paviršius turi raudoną atspalvį. Senovės
egiptiečiai ją vadino Her Descher, tai yra raudonąja, o romėnai dėl to
paties raudonumo pavadino karo dievo vardu. Marsas yra pusantro karto
toliau nuo Saulės, negu Žemė. Kadangi jo paviršiuje lengvai pastebimos
beveik tiesios įdubos, jau seniai buvo manoma, kad jame egzistuoja gyvybė,
o šios įdubos yra dirbtiniai irigaciniai įrenginiai – kanalai. Kita
priežastis, tarsi ir paremianti gyvybės egzistavimo hipotezę, buvo
reguliariai besikartojantys sezoniniai (vasaros – žiemos) planetos
paviršiaus atspalvio pokyčiai, kuriuos galėtų sukelti augalija. Deja, 1965
liepą Mariner 4 persiuntė 22 Marso paviršiaus nuotraukas, padarytas iš
nedidelio atstumo. Jose aiškiai matėsi daug kraterių ir natūraliai atsiradę
grioviai, bet nepastebėta jokių dirbtinių kanalų arba tekančio vandens
juose. 1976 liepą ir rugsėjį du Vikingo moduliai nusileido ant Marso
paviršiaus. Kiekvienas jų atliko po tris biologinius eksperimentus
nusileidimo vietose. Pasirodė, kad Marso dirvožemyje vyksta labai aktyvūs
procesai, bet jų prigimtis yra ne biologinė, o cheminė. Saulės
ultravioletinė spinduliuotė yra prisotinusi Marso paviršių, todėl jis
nuolatos sterilizuojasi ir turėtų sunaikinti gyvus organizmus, jei tokie
netgi ir būtų. Neatmesta hipotezė, kad tolimoje praeityje kokia nors
gyvybės forma Marse galėjo egzistuoti. Kruopščiai ištyrus Marso atmosferą,
pasirodė, kad ji sudaryta beveik vien iš anglies dioksido (95.32 %).
Vandens Marso atmosferoje yra tūkstantį kartų mažiau, negu Žemės
atmosferoje. Skysti debesys pastebėti tik labai dideliame aukštyje, rūkas
kartais stebimas tik daubose, o žiemą vietomis atsiranda nedidelis šerkšno
sluoksnis. Gali būti, kad praeityje Marse buvo daugiau vandens, ir jo
paviršiuje stebimi sraunių upių palikti pėdsakai. Didžiausia registruota
paviršiaus temperatūra yra 20o C, mažiausia -140o C, o vidutinė yra -63o C.
Barometrinis slėgis Marse yra labai mažas – iki 10 milibarų (Žemėje
vidutinis slėgis lygus 1000 milibarų). Anglies dioksidas užšalęs sudaro
poliarines “kepures” kiekvieno poliaus žiemos metu, po to ištirpsta ir
išgaruoja atėjus pavasariui. NASA erdvėlaivis “Mars Global Surveyor”, nuo
1999 metų vykdantis detalų Marso paviršiaus tyrimą, yra atsiuntęs daug
kokybiškų nuotraukų, kurias galima surasti Internete NASA svetainėje
adresu http://www.nasa.gov/. NASA puslapyje rasite taip pat dar daug
kitokios įdomios ir labai kokybiškos medžiagos apie Kosmosą.
Sekančios keturios planetos – nuo penktosios iki aštuntosios – sudaro
jupiteriškųjų dujinių milžinių grupę. Jų tankai keletą kartų mažesni už
žemiškųjų planetų tankius, o matmenys labai didelės.
Pav. 3.3. Jupiteriškosios planetos – Jupiteris, Saturnas, Uranas ir
Neptunas.
Penktoji planeta – Jupiteris – yra pati didžiausia Saulės sistemoje. Jos
viduje tilptų daugiau kaip tūkstantis Žemių, o jos masė yra tris kartus
didesnė už visų kitų planetų masių sumą. Jupiteris turi apie 30 mėnulių,
kurių keturis (Io, Europą, Ganimedą ir Kalisto) Galilėjus pastebėjo dar
1610 metais. Egzistuoja ir žiedų sistema, tačiau šie žiedai sudaryti iš
labai smulkių dalelių, kurių diametras ne didesnis už 10 mikronų (panašiai
kaip cigaretės dūmų dalelių), todėl iš Žemės yra nematomi jokiais
prietaisais. Juos 1979 metais aptiko Voyager 1. Išorinis žiedų sistemos
kraštas siekia 129 000 km, o vidinis – 30 000 km nuo planetos centro.
Manoma, kad šie žiedai susiformavo mikrometeoritams bombarduojant Jupiterio
mėnulius, kurių orbitos yra žiedų viduje. Jupiterio atmosfera labai tanki,
gali būti, kad visa planeta yra savotiškas šios atmosferos tęsinys. Tuo
Jupiteris panašus tam tikra prasme į Saulę. Pabandykime išsiaiškinti šį
teiginį. Paviršinis Jupiterio sluoksnis sudarytas iš vandenilio ir helio
atomų su labai nedidele metano, amoniako, vandens garų ir kai kurių kitų
junginių priemaiša. Einant gilyn tankis taip padidėja, kad elektronai
praranda ryšį su savo protonais ir vandenilis tampa metalu. Gali būti, kad
būtent iš jo ir sudaryti Jupiterio vidiniai sluoksniai. Jupiterio
atmosferoje stebimi sūkuriai, analogiški mūsų ciklonams ir anticiklonams,
nuolatos judantys viena ar kita kryptimi.
Šeštoji planeta yra Saturnas. Savo dydžiu ji yra antroji po Jupiterio, o
jos masė beveik tris kartus didesnė už visų kitų planetų (išskyrus
Jupiterį) masių sumą. Aiškiai matosi, kad Saturnas yra susiplojęs poliuose,
nes yra vienintelė planeta, kurios tankis yra mažesnis už vandens tankį ir
priedo dar labai greitai sukasi. Jo para trunka tik 10 valandų ir 39
minutes, tuo tarpu kai metai lygūs 29.5 Žemės metams. Saturno žiedų sistema
puikiai matoma ir tai daro jį vienu gražiausių dangaus kūnų. Išskiriami
septyni svarbiausieji žiedai, kai kurie jų sudaryti iš mažesnių žiedelių,
praktiškai susiliejančių į vieną visumą. Žiedai žymimi didžiosiomis
raidėmis pradedant A ir baigiant G. Per teleskopą matomi tik ryškūs A ir B
žiedai ir blankus C žiedas. Pirmuosius du pastebėjo Galilėjus 1610 metais.
C žiedas atrastas 1848, F – 1979, D ir G – 1980, o E – 1981 metais. Panašu,
kad žiedai sudaryti iš ledo ir sniego gabalų, kurių matmenys yra nuo
keletos centimetrų iki keletos metrų. Pagal nuotolį nuo Saturno žiedai
išsidėstę taip: pirmasis yra D žiedas (vidutinis atstumas nuo Saturno
centro lygus 67 tūkst. km, plotis – 7 500 km), toliau – C žiedas (atstumas
– 74 500 km, plotis – 17 500 km), dar toliau – B (92 000 km ir 25 500 km),
A (122 200 km ir 14 600 km) ir taip toliau. Paskutiniojo, E žiedo, kraštas
siekia iki 300 000 km. Pagrindinių žiedų storiai ne didesni už 1 km, taigi
iš tiesų tai yra unikalios ir labai gražios struktūros. Saturnas taip pat
turi daugiausia tarp visų Saulės sistemos planetų mėnulių. Jų yra net 18,
turinčių pavadinimus ir ištyrinėtų, o taip pat dar keturi objektai,
pretenduojantys jais tapti, užfiksuoti Hablo kosminiu teleskopu. Saturno
atmosfera sudaryta iš vandenilio atomų su nedidele helio ir metano
priemaiša, todėl jo spalva yra gelsva. Atmosferoje siaučia didžiuliai
vėjai, kurių greitis siekia 500 m/s. Kaip ir Jupiteris, Saturnas neturi
kieto paviršiaus. Atmosferai tolydžio tankėjant, ji ilgainiui virsta
metalinio vandenilio branduoliu, apsuptu silikatų ir metano, amoniako ir
vandens ledų sluoksniu. Centre temperatūra siekia 20 000 K, o tankis – 13.5
g/cm3. Saturnas išspinduliuoja šilumos 2.5 karto daugiau, negu gauna iš
Saulės, o tai reiškia, kad jis, kaip ir kai kurios kitos planetos, turi
kažkokių vidinių energijos šaltinių.
Būtent Saturnu ir baigiasi šešių arčiausiai Saulės esančių planetų sąrašas.
Viena jų – Žemė – yra mūsų planeta, o kitos penkios – lengvai iš jos
matomos, todėl yra vienos gražiausių ir įdomiausių dangaus šviesulių.
Septintoji planeta – Uranas – yra taip pat dujų gigantas. Savo dydžiu ji
yra trečioji Saulės sistemoje. Uraną ir du jo mėnulius atrado ir ištyrė
William Herschel 1781 – 87 metais. Urano atmosfera sudaryta iš vandenilio
(83 %), helio (15 %), o taip pat nedidelių metano, acetileno ir įvairių
hidrokarbonatų priemaišų. Viršutinių sluoksnių metanas absorbuoja raudonos
spalvos spindulius, todėl Uranas yra melsvai žalios spalvos. Uranas
unikalus ta prasme, kad jo sukimosi ašis guli beveik orbitos plokštumoje,
tai yra jis tarsi rieda orbita. Urano branduolys panašus kaip ir kitų
gigantų. Sukasi irgi gana greitai – para yra 17 valandų ir 14 minučių
ilgio. Stebėta ne mažiau kaip 15 jo mėnulių. 1977 metais ištirti pirmi
devyni jo žiedai: jų gali būti ir daugiau.
Paskutinysis, esantis toliausiai nuo Saulės, gigantas yra Neptunas. Jį 1846
metais atrado J. G. Galle maždaug 1o nuotolyje nuo tos vietos, kurioje jį
esant prognozavo U. Le Verrier, paskaičiavęs jo orbitą pagal Urano orbitos
trikdymų rezultatus. Daugeliu savybių Neptunas panašus į kitus dujų
gigantus, o ypač – į Uraną. Jis turi aštuonis mėnulius ir keturių žiedų
sistemą.
Paskutinioji, devintoji, sistemos planeta Plutonas yra ir pati mažiausioji.
Ji atrasta 1930 metų vasario 18, kadangi ją galima pastebėti tik per gerą
teleskopą. Skirtingai nuo kitų planetų, jos orbita yra labai ištęsta ir
todėl kartais ji priartėja arčiau Saulės negu Neptunas. Tokioje padėtyje ji
praleidžia apie 20 metų iš beveik 249 metų, reikalingų apsisukti apie
Saulę. Šią kelionės dalį ji kaip tik ir baigė 1999 metais ir dabar pamažu
tolsta nuo Saulės. Plutonas išsiskiria dar ir tuo, kad jo orbitos plokštuma
orientuota 17o kampu į Ekliptikos plokštumą, tuo tarpu kai visų kitų
planetų orbitų plokštumos beveik sutampa su ja. Plutono paviršių dengia
kelių kilometrų storio metano ledas, o atmosferą sudaro šiek tiek to paties
metano garų. Plutonas turi vieną mėnulį, vadinamą Charon pagal graikų mitų
veikėją valtininką, gabendavusį mirusiųjų sielas i Hadą – mirusiųjų
pasaulį, kurio dievas buvo vadinamas Plutonu. Paskutinei planetai su savo
palydovu tai labai vykę pavadinimai. Kaip ir Mėnulis į Žemę, Charon į
Plutoną nuolatos atsisukęs ta pačia puse. Apie Plutoną žinoma ne tiek jau
daug, tačiau planuojama kuo greičiau surengti ekspediciją, kad galima būtų
ištirti Plutoną dar prieš užšalant jo atmosferai, nes šiuo metu jis, kaip
minėta, vis tolsta nuo Saulės ir tolydžio vėsta.
Be išvardintų didžiųjų planetų orbitomis apie Saulę juda dar labai daug
visokių kitokių kūnų. Be Koiperio žiedo objektų, tokių kaip jau minėtasis
Quaoar, yra dar ir vadinamieji asteroidai arba mažosios planetos. Tai –
paprasčiausi metalo arba akmens gabalai. Didžiausias jų yra Cerera; jos
diametras siekia 1000 km. Žinoma dar bent šešiolika asteroidų, kurių
diametrai didesni negu 240 km. Dauguma jų skrieja erdvėje tarp Marso ir
Jupiterio, tačiau keletos jų orbitos kerta Žemės orbitą. Jei visus žinomus
asteroidus būtų galima surinkti į vieną vietą, tai susidarytų rutulys,
kurio diametras būtų porą kartų mažesnis už Mėnulio diametrą. Manoma, kad
jie susidarė arba formuojantis Saulės sistemai, arba sudužus planetai
susidūrimo su kokiu kitokiu kūnu metu. Yra požymių, kad tolimoje praeityje
ne vienas asteroidas yra susidūręs ir su Žeme. Jei dabar įvyktų kas nors
panašaus, tai galėtų sunaikinti visą gyvybę. Yra užfiksuoti gana pavojingi
asteroidų praskriejimai. Ikaras 1968 metais buvo priartėjęs prie Saulės per
0.19 astronominių vienetų, o po to praskrido 16 milijonų kilometrų atstumu
nuo Merkurijaus. Erosas 1931 metais buvo priartėjęs prie Saulės 23 milijonų
kilometrų atstumu. Būtent šiuo atveju galėtų praversti branduolinis
ginklas; pastebėjus atlekiantį tokį “daiktelį” galima būtų jį sunaikinti
arba bent pakeisti jo orbitą dar prieš susidūrimą.
Pav. 3.4. Asteroidų palyginimas su Mėnuliu.
Mažų matmenų kietieji kūnai, kurių orbitos kerta Žemės orbitą ir gali su ja
susidurti, vadinami meteoroidais. Meteoroidui įlėkus į Žemės atmosferą dėl
trinties jis dažniausiai išsilydo ar sudega; nukritę ant Žemės liekanos
vadinamos meteoritais. 92.8 % jų yra akmeninių, 5.7 % – metalinių, o kiti
sudaryti iš įvairių mineralų. Galileo kosminis laivas neseniai praskriejo
visai arti nuo artimiausių didelių asteroidų Gaspra (1991) ir Ida (1993) ir
atsiuntė puikias jų nuotraukas. Specialus NASA palydovas prieš kurį laiką
netgi buvo paleistas į vieną asteroidų – Erosą, ir kurį laiką apie jį
sukdamasis sukaupė daug vertingos informacijos. Erosas pasirodė beesąs
netaisyklingos formos kas 5.3 valandos besivartantis 7 km storio, 19 km
pločio ir 30 km ilgio akmuo. Meteorų įskridimai į atmosferą, ypač kai Žemė
kerta kokią nors sritį, kurioje jų koncentracija nemaža, irgi yra gana
spalvingas reginys, nuo senovės vadinamas krentančių žvaigždžių lietumi.
Pav. 3.5. Meteoroidas, meteoras ir meteoritas.
Pav. 3.6. Krateris Arizonoje.
Kita grupė bene pačių gražiausių Saulės palydovų yra kometos. Tai trapūs
nedideli netaisyklingos formos kūnai, sudaryti iš atšaldytų dujų, dulkių,
ledo ir kitokių Saulės sistemos gamybos atliekų. Kometą sudaro branduolys,
vadinamoji koma, ir jos difuzinė aplinka. Šio branduolio spindulys ne
didesnis kaip 10 km. Kometų orbitos labai ištęstos; viename gale jos labai
priartėja prie Saulės, o kitame gali siekti toliau Plutono orbitos. Joms
artėjant prie Saulės, koma įšyla, padidėja ir išsivysto ilga uodega,
sudaryta iš smulkių dulkių dalelių ir nutįsusi milijonus kilometrų.
Pav. 3.7. Kometų uodegos.
Baigiant Saulės šeimos narių apžvalgą galima pateikti tokį jos portretą.
Jei Žemę įsivaizduotume esant tokio dydžio kaip krepšinio kamuolį
(diametras apie 40 centimetrų), tai Mėnulis apie ją skrietų 12 metrų
atstume, o Saulės diametras būtų lygus maždaug 44 metrams (joje laisvai
tilptų Žemė su skriejančiu apie ją Mėnuliu). Žemės orbitos spindulys, tai
yra atstumas nuo Saulės, būtų lygus 5 kilometrams, o atstumas nuo Saulės
iki tolimiausios planetos – Plutono būtų lygus maždaug 200 kilometrų, taigi
ši Saulės sistemos dalis savo matmenimis kiek primena Lietuvą.

Klausimai

1. Kas tai yra Ekliptikos plokštuma?

2. Kurios planetos orbitos plokštuma nesutampa su Ekliptikos plokštuma?

3. Išvardinkite keturias žemiškąsias planetas.

4. Kurios planetos dienos ir nakties temperatūrų skirtumas yra pats

didžiausias?

5. Kurios planetos dienos ir nakties temperatūrų skirtumas yra pats

mažiausias?

6. Išvardinkite keturias planetas – dujų gigantus.

7. Kokia didžiausia Saulės sistemos planeta?

8. Kokia mažiausia Saulės sistemos planeta?

9. Kuri planeta turi daugiausia mėnulių?

10. Kokios Saulės sistemos planetos yra mėlynos spalvos?

11. Kuo skiriasi meteoroidai ir meteoritai?

13. Kas tai yra “albedo”?

14. Kurioje srityje yra išsidėstę daugiausia asteroidų orbitų?

15. Kuo kometų orbitos skiriasi nuo planetų orbitų?

4. Saulės imperija. Nuolatinis judėjimas

Saulės šeimos planetos, kaip matėme, nuodugniau patyrinėjus, pasirodo beesą
labai skirtingos, nors paprastam stebėtojui jos yra beveik vienodi,
tamsesni ar šviesesni taškai, skirtingai nuo žvaigždžių, palyginus greitai
ir iš pirmo žvilgsnio gana chaotiškai judantys dangaus skliaute.
Prisiminkite Marso judėjimo trajektoriją, pavaizduotą Pav. 1.9. Būtent tas
jų judėjimo nereguliarumas taip ilgai ir domino visus stebėtojus. Šiais
laikais, jei kas nors pradėtų įdėmiai žiūrėti į dangų, maišalynė būtų dar
didesnė, nes skraido daugybė reisinių ir karinių lėktuvų bei dirbtinių
Žemės palydovų, kurie yra palyginus labai netoli Žemės, ir nors būdami
maži, atspindi pakankamai daug šviesos, kad būtų neblogai matomi. Kuo ne
planetos? Įsigudrinus, žinoma, galima būtų greitai atskirti pelus nuo
grūdų, bet senovėje ta prasme uždavinys buvo žymiai paprastesnis.
Kai planetos jau identifikuotos, atsiranda naujų problemų, Pagrindiniai
kylantys klausimai yra – iš kur jos atsirado ir kodėl jos taip juda? Kas
varo planetas ratu, kodėl jos nesustoja arba nenukrenta? Norint į juos
atsakyti, reikia pirmiausia pasiaiškinti, kaip jos juda. Minėjome sudėtingą
Ptolemėjaus sferų sistemą (Pav. 1.10), sąžiningai tarnavusią beveik
pusantro tūkstantmečio. Kam gi Aristoteliui, išradusiam tas sferas,
Ptolemėjui, jas ištobulinusiam, o po to net ir Kopernikui, jų prireikė?
Atsakymas labai paprastas. Sferos buvo reikalingos kaip nors suderinti tai,
kad iš tikrųjų planetos juda ne apskritiminėmis orbitomis, o elipsinėmis,
su įvaizdžiu, kad gamtoje tobula figūra yra sfera, ir planetos, kurių
judėjimo priežastys buvo visiškai nesuprantamos, turi jomis ir judėti.
Judėjimą elipsiu iš bėdos galima pavaizduoti, kaip dviejų sferų riedėjimą
viena kitos paviršiumi ir naudojant šį modelį nuspėti, kur viena ar kita
planeta bus po kurio nors laiko. Nepasitvirtinus kokiai prognozei modelį
reikėdavo tobulinti, ir Ptolemėjus galų gale buvo šioje srityje pasiekęs
didžiausio įmanomo tikslumo.
Pav. 4.1. Apskritimai, elipsės ir sferos.
Ir prieš Ptolemėjų, ir po jo vis pasitaikydavo bandymų suvokti šį judėjimą
kaip kažkokios visaapimančios harmonijos ar aukštesnės valios pasireiškimą,
todėl kad žmogiškoji prigimtis pirmiausia verčia ieškoti ryšių tarp įvairių
paslaptingų reiškinių. Plačiausiai žinomi bent jau bandymai susieti planetų
judėjimo harmoniją su muzikinių garsų ir spalvų deriniais. Kadangi tai gana
romantiška ir senovėje, sprendžiant iš įvairių išlikusių liudijimų, buvo
populiaru, pabandykime pasiaiškinti šį ryšį kiek nuodugniau.
Kad išvengtume visiškos maišaties, nusikelkime bent jau į Koperniko laikus
ir tikėkime, kad planetos sukasi apie Saulę, o ne apie Žemę. Apsiribokime
taip pat penkiomis arčiausiai esančiomis ir lengviausiai pastebimomis
planetomis bei žvaigždžių sfera. Paprasčiausiai nustatoma ir ilgą laiką
vienintele planetos judėjimo charakteristika buvo jos apsisukimo aplink
Saulę periodas, mūsų lentelėje pavadintas metais T ir pateiktas Žemės metų
vienetuose. Atvirkščias periodui dydis ( f=1/T ) vadinamas dažniu.
Populiariausias dažnio vienetas yra Hercas, žymimas Hz. Tai dažnis tokio
judėjimo, kai per sekundę įvyksta vienas apsisukimas, arba, kitais žodžiais
tariant, kai judėjimo periodas lygus vienai sekundei. Planetų judėjimo
periodai žymiai didesni už sekundę, todėl jų dažniai yra žymiai mažesni už
Hercą. Muzikinių garsų bei matomos šviesos bangų dažniai yra žymiai už
Hercą didesni, todėl tiesiogiai jų palyginti negalima, bet paėmę dažnių
santykius šiokią tokią bazę palyginimams galime surasti.
Pradėkime nuo muzikos, tuo labiau kad ši lygiagretė siekia toliausiai –
Pitagoro laikus. Dviejų paeiliui einančių oktavų ribinių dažnių santykis
lygus dviems, tai yra sekančios oktavos “do” turi du kartus didesnį dažnį,
negu prieš tai einančios “do”. Tas pats turi galioti ir visiems kitiems
garsams, todėl temperuotoje oktavoje, turinčioje dvylika pustonių,
kiekvieno sekančiojo dažnis turi būti 21/12 kartų didesnis už prieš jį
einančiojo, kad pakėlę šį skaičių dvyliktuoju laipsniu (oktavoje viso yra
dvylika pustonių), gautume dvejetą. Šiek tiek maišaties įneša tai, kad
oktavoje tarp “mi” ir “fa” bei “si” ir “do” garsų yra tik pustonis, o tarp
visų kitų – po du pustonius, bet jei atkreipsime į tai dėmesį, dažnių
santykius skaičiuoti bus nesunku.
Antroji lygiagretė būtų su šviesa. Matomos šviesos elektromagnetinių bangų
dažniai matuojami dešimtimis su daugybe nulių Hercų, todėl pasinaudokime
tuo ryšiu, kad f=c/(, kur c yra šviesos greitis, o ( – šviesos bangos
ilgis, kuris violetinei spalvai lygus 400 nm (nanometrų, tai yra
milijardinių metro dalių), raudonai – 700 nm, o visos kitos spalvos telpa
šiame intervale. Taigi, didžiausio ir mažiausio dažnių santykis šiuo atveju
artimas dviems, panašiai kaip oktavos garsų, kuris tiksliai lygus dviems.
Planetų judėjimo dažnių santykius lengva surasti iš 3.1 Lentelės imant jau
minėtus T. Vienintelė išimtis yra ta, kad toje lentelėje nėra žvaigždžių
sferos, kuri “apsisuka” apie Žemę per parą, tai yra per 1/365 metų dalį.
Šių duomenų pakanka sudaryti 4.1 Lentelei.
Vargu ar galima pamatyti kokį nors ryšį tarp šių dažnių. Gal kiek
glaudesnis atitikimas yra tik tarp muzikinių garsų ir spalvų, tačiau
planetų judėjimas, be abejo, nėra toks harmoningas. Tikroji planetų
judėjimo harmonija jau atspindėta 3.1 Lentelės paskutiniajame stulpelyje,
tačiau kalbėsime apie tai kiek vėliau.
Taigi, planetos skirtingos ir juda gana chaotiškai. Vis tik egzistuoja tarp
jų judėjimo ir jungiančiųjų bruožų. Pirmasis yra tas, kad visos jos, o taip
pat Mėnulis ir Saulė juda nenutoldami nuo taip vadinamų Zodiako žvaigždynų.
Dabar mes žinome, kad taip yra todėl, kad visų planetų sukimosi apie Saulę
orbitų plokštumos beveik sutampa su Ekliptikos, tai yra Žemės judėjimo apie
Saulę plokštuma. Mėnulio judėjimo apie Žemę plokštuma irgi artima jai.
Kodėl taip yra, paaiškinti nėra lengva, tačiau jei žiūrėsime į tai kaip į
nustatytą faktą, tai jis gali atrodyti gana keistai, vėlgi kaip kažkokios
harmonijos pasireiškimas. Šis faktas astrologų yra “sudvasintas”, jam
suteikta gili “prasmė”. Kiekvieną savaitę, o kartais ir dieną,
laikraščiuose spausdinami įvairiausi horoskopai, todėl apeiti šį faktą
niekaip jo nepakomentavus būtų tiesiog nepadoru. Taigi, Zodiako
žvaigždynai yra tie, į kuriuos projektuojasi Ekliptikos ir kitų planetų
judėjimo plokštumos, išpjaunančios maždaug 16 laipsnių pločio dangaus
sferos juostą. Jų yra dvylika – Žuvys, Avinas, Tauras, Dvyniai, Vėžys,
Liūtas, Mergelė, Svarstyklės, Skorpionas, Šaulys, Ožiaragis ir Vandenis.
Tiesė, jungianti Saulę ir Žemę, per metus prabėga visus minėtus
žvaigždynus, būdama kiekviename jų beveik po mėnesį. Nors žvaigždės,
sudarančios žvaigždynus, yra nutolę nuo Žemės įvairiausiais, milžiniškai
besiskiriančiais, atstumais, tačiau jų judėjimas viena kitos atžvilgiu per
šimtmečius sunkiai pastebimas, todėl žvaigždynų raštai laikui bėgant beveik
nesikeičia. Žvaigždės tiesiog prašyte prašosi sujungiamos į grupes, kurios
buvo įvairių tautų pavadintos įvairiais vardais pagal panašumą į kokius
nors gyvūnus, daiktus ar reiškinius. Dar babiloniečiai atrado Zodiako
juostą ir suskirstė ją į dvylika žvaigždynų, gali būti, kad tai buvo
sąlygota Mėnulio fazių periodiškumu, lemiančiu metų paskirstymą į 12
mėnesių. Kinai, po to graikai tą darbą padarė iš naujo; galų gale dabar
naudojamės būtent graikų sukurta žvaigždynų sistema. Skirstymas į
žvaigždynus, kaip matome, yra grynai subjektyvus veiksmas; be to, dėl Žemės
ašies precesijos sistema yra paslanki – pavyzdžiui, mūsų eros pradžioje
pavasario lygiadienio taškas buvo Avino, o dabar jis randasi Žuvų
žvaigždyne.
|Muzikiniai|Dažnių |Spalvos |Dažnių |Dangaus |Dažnių |
|garsai |santykiai | |santykiai |kūnai |santykiai |
|Do |1 |Raudona |1 |Žemė |1 |
|Re |1.1225 |Oranžinė |1.0800 |Mėnulis |13.37 |
|Mi |1.2600 |Geltona |1.1638 |Saulė |365 |
|Fa |1.3350 |Žalia |1.2736 |Žvaigždžių |365 |
| | | | |sfera | |
|Sol |1.4985 |Mėlyna |1.5000 |Merkurijus |4.1494 |
|La |1.6827 |Violetinė |1.6875 |Venera |1.6234 |
|Si |1.8887 | | |Marsas |0.5313 |
|Do (kitos |2 | | |Jupiteris |0.0843 |
|oktavos) | | | | | |

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

Astrologija yra pseudo teorija, teigianti, kad Saulės, Mėnulio ir planetų
išsidėstymas Zodiako žvaigždynų juostoje turi įtakos žmonių, tautų ir
valstybių likimui ir gamtos reiškiniams. Ši teorija, deja, taip pat
netenkina pagrindinių mokslinės teorijos reikalavimų, nes jos išvados nei
patikrinamos, nei patvirtinamos pakartotiniais bandymais, o tarp prognozių
ir realybės koreliacija nesurasta. Kokią įtaką gali turėti vieno ar kito
dangaus kūno padėtis, galima spręsti iš 2.1 Lentelės, kurioje pateikti
santykiai jėgų, kuriomis stovintį ant Žemės žmogų veikia ta ar kita
planeta.
Palyginimui toks jėgų santykis, jei atsistotumėte prie (1 m)3 vandens
rezervuaro, būtų lygus maždaug 10-8. Ką tokiu atveju kalbėti apie didelį
namą arba tankiai apgyvendintą rajoną. Taigi, su astrologija aiškiai kažkas
ne taip. Greičiau tai galėtų būti psichologų studijų objektu, nes matyt
žmogaus pasamonėje užprogramuotas poreikis tikėti kokia nors pasaka.
Grįžkime prie planetų judėjimo. Paprasčiausia yra nustatyti planetos
apsisukimo apie Saulę periodą. Tam prireikia nemažai laiko, nes tolimųjų
planetų apsisukimo periodai (metai) yra gana ilgi. Pavyzdžiui, Saturno
metai, kaip jau žinome, lygūs maždaug 30 Žemės metų. Be to, reikia
atsižvelgti dar ir į tai, kad Žemė pati juda apie Saulę. Antrasis svarbus
parametras, kurio dar nemokame matuoti, yra planetos atstumas nuo Saulės.
Dabar žinoma bent keletas būdų jį nustatyti, tačiau pirmas tikslus
matavimas paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC ) idėja, kurią
išsiaiškinsime septintojoje paskaitoje.
Išmatavus bent vieną atstumą iki kokios nors planetos, nesunku gana
tiksliai nustatyti ir visų kitų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius,
nes, kaip matome iš 3.1 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo ir
apsisukimo periodo kvadrato santykis yra toks pat. Tai yra trečiasis
Keplerio dėsnis, atrastas analizuojant Bragės matavimų rezultatus 1618
metais. Iš lentelės puikiai matosi, kad Mėnulis ir Charonas nėra Saulės
sistemos planetos. Jiems šie santykiai yra visiškai kitokie, nes jie yra ne
Saulės, o Žemės ir Plutono palydovai. Jei Žemė turėtų antrąjį Mėnulį, jam
šis santykis būtų toks pat kaip ir pirmajam. Galilėjus, savo teleskopu
pastebėjęs keturis Jupiterio palydovus, nustatė, kad visi jie puikiai
tenkina šį dėsnį.
Kodėl taip yra, paaiškino Niutonas, atrasdamas jums gerai žinomą visuotinės
traukos dėsnį. Prisiminkime. Jėga, kuria masės M kūnas (Saulė) traukia
masės m kūną (planetą) yra

F = GMm/R2 .

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

F = mv2/R.

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

v = 2(R/T.

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

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

Taigi, šis santykis priklauso tik nuo Saulės masės ir pasaulinių konstantų,
todėl jis ir yra vienodas visoms planetoms arba visiems kokios nors
planetos palydovams.
Kodėl mūsų lentelėje jis vis tik ne visoms planetoms tiksliai lygus
vienetui? Tai lemia keleta faktorių, iš kurių svarbiausia yra tai, kad
planetos juda ne apskritimais, o elipsėmis, ir sąveikoja ne tik su Saule,
bet ir tarpusavyje.
Tai ir yra ta reali harmonija, kuri nelengvai surasta būtent iš Saulės
sistemos studijų, bet galioja be išimčių visiems dangaus kūnams, kuriuos
iki šiol pavyko stebėti.
3.1 Lentelėje yra dar keleta planetų parametrų, kurių matavimo iki šiol
nesame aptarę. Pirmiausia tai yra planetos spindulys. Jo radimas visai
paprastas – kadangi planetos orbitos parametrai žinomi, lengvai galime
rasti atstumą tarp minimos planetos ir Žemės bet kuriuo momentu, o po to
pagal jos matomą kampinį dydį surasti diametrą. Planetos parą, tai yra
apsisukimo apie savo ašį periodą, galima nustatyti ją stebint. Planetos
tankį galima surasti, žinant jos masę ir tūrį. Surasti tūrį žinant diametrą
visai nesunku, taigi, lieka paskutinis ir labai įdomus parametras –
planetos masė.
Žemės masę surasti itin lengva, nes žinomas laisvo kritimo pagreitis ant
paviršiaus, kurį galima rasti paprasčiausiai mėtant daiktus. Jei šis
pagreitis, žymimas g ir apytikriai lygus 980 m/s2, bei gravitacijos
konstanta žinomi, tai bet kurio daikto, kurio masė m, sunkis lygus

P = mg = GMm/r2 .

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

M = gr2 /G,

kur r yra lygus Žemės spinduliui.
Galima dar ir patikrinti gautą reikšmę, suskaičiavus tą patį dydį kitu
būdu.
Aukščiau jau pateikta formulė, susiejanti planetos, tai yra Saulės
palydovo, orbitos spindulį ir apsisukimo periodą su Saulės mase. Iš šios
išraiškos galime Saulės masę išreikšti per bet kurios planetos orbitos
parametrus taip:

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

Šį sąryšį galima panaudoti ir Žemės masei rasti, kadangi Mėnulis yra jos
palydovas, jo orbitos parametrai žinomi, o daugiau nieko ir nereikia.
Žinoma keleta rafinuotų metodų kitų planetų masėms rasti, tačiau pats
paprasčiausias tas, kurį ką tik išdėstėme, paremtas jos palydovo arba
palydovų orbitų parametrų, kurie nesunkiai matuojami, panaudojimu, taikant
pateiktas formules.

Klausimai

1. Kiek yra Zodiako žvaigždynų?

2. Atstumo iki planetų matavimo metodai?

3. Kas tai yra astrologija?

4. Ką teigia trečiasis Keplerio dėsnis?

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

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

Saulės?

7. Kaip paprasčiausiai surasti Saulės masę?

5. Kosminės kelionės

Mitai ir istorijos, pasakojančios apie skrydžius į Mėnulį ar žvaigždes, yra
ko gero tokios pat senos, kaip žmonija. Pirmoji žinoma knyga šiuo klausimu
yra graiko Lucian iš Samosata 160 AD metais skelbta “Vera historia”, kurios
herojus per aštuonias dienas nuvyksta į Mėnulį ir po to bando tęsti kelionę
į Olimpą, bet tuo užrūstina Dzeusą, kuris įsako grąžinti keliautoją į Žemę.
Žinoma taip pat nemažai vėlesnių fantastinių istorijų, aprašančių keliones
kosmose. Tarp jų autorių buvo tokie žinomi žmonės, kaip Johannes Kepler,
Cyrano de Bergerac, Jules Verne, H.G.Wells ir kiti. Arčiausiai tiesos
pasirodė Arthur C.Clarke tuoj po II Pasaulinio karo publikuotos istorijos,
kuriose keleta dešimtmečių prieš praktišką realizavimą gana realistiškai
aprašomos šių kelionių problemos ir pasiekimai. Tarp kitko, jis pirmasis
nuspėjo ir palydovų naudą perduodant žinias iš vienų Žemės rajonų į kitus,
tai yra šiuolaikinių komunikacinių sistemų esmę.
Realus gyvenimas, kaip visada, pasirodė žymiai sudėtingesnis. Nei paukštis,
nei netgi keleivinis lėktuvas, kaip gerai žinoma, išskristi už Žemės
atmosferos ribų negali. Atmosfera gi baigiasi labai netoli nuo Žemės, apie
jokį skrydį netgi į Mėnulį kalbėti be naujo tipo transporto priemonės
neįmanoma. Tokia transporto priemonė yra raketa. Nuo kulkos raketa skiriasi
tuo, kad judesio kiekį ji įgauna ne stumiama šautuvo vamzdžiu degant
parakui, o kaupia jį kelionės metu, nes kurą vežasi su savimi ir
palaipsniui jį degina. Nuo motorinės valties ar lėktuvo ji skiriasi tuo,
kad trauka raketoje išsivysto ne sukantis propeleriui, kurio sėkmingam
darbui reikalinga materiali ir tanki aplinka – vanduo arba atmosfera, o dėl
išmetamų degimo produktų judesio kiekio, dėl tvermės dėsnio perduodamo
raketai. Kosminių skrydžių raketa skiriasi netgi nuo reaktyvinio lėktuvo,
kadangi pastarasis kuro deginimui naudoja atmosferoje esantį deguonį, o
raketa net ir deguonį turi vežtis su savimi.
Pirmosios parako raketos tikriausiai pasirodė Kinijoje apie XI-XII amžių.
Jos buvo vadinamos “ugnies strėlėmis”. Yra išlikęs pasakojimas, kad apie
1500 metus kinietis vardu Wan Hoo prie savo palankino liepė pritaisyti 47
juodojo parako raketas, kurias 47 tarnai vienu metu ir uždegė. Pasakojimas
čia ir baigiasi, nes to Wan Hoo daugiau niekas nėra matęs. Maždaug nuo XVI
amžiaus raketos buvo žinomos jau ir Europoje, tačiau kaip ginklai pradėtos
naudoti tik XVIII amžiaus gale, po to kai Indijos išsilaisvinimo kovose
indai jas naudodavo prieš anglus. Pastarieji jas patobulino ir pritaikydavo
netgi kariaudami Europoje, pavyzdžiui puldami Boloniją 1806 ir Kopenhagą
1807 metais bei batalijose Šiaurės Amerikoje.
Teoriniai kelionių kosmose raketomis pagrindai buvo padėti XX amžiaus
pradžioje ruso K.Ciolkovskio, vokiečio H.Oberth, prancūzo R.Esnault-
Pelterie ir amerikiečio R.Goddard pastangomis. Būtent šiose šalyse
antrajame – trečiajame dešimtmetyje ir pradėjo vystytis eksperimentai su
raketomis ir bandymai jas pritaikyti įvairiose transporto priemonėse.
Pirmasis lėktuvas, varomas 16 parako raketų, į orą pakilo ir 75 sekundes
skrajojo Vokietijoje 1928 metų birželio 28, tačiau ir šio skrydžio
principai, ir priemonės buvo labai tolimos nuo naudojamų šiuolaikinėse
raketose.
Du žmonės, kurių nuopelnai neabejotinai patys didžiausi šioje srityje, yra
vokietis Wernher von Braun (1912-1977) ir rusas Sergei Koroliov (1907-
1966). Abiejų jų likimai dėl laikmečio specifikos, totalitarinių režimų ir
galimybės raketas pritaikyti naikinimui susiklostė nelengvai, bet šie
žmonės, ir ypatingai pirmasis, yra labiausiai nusipelnę tam, kad žmonija
nutiesė kelius į kosmosą.
S.Koroliovas nuo 1938 metų Stalino buvo įkalintas ir dirbo lėktuvų bei
raketų tyrinėjimo darbus kartu su daugeliu kitų konstruktorių, tokių kaip
A. Tupolevas, koncentracijos stovykloje Uralo kalnuose. Tuoj po karo jam
buvo pavesta atlikti vokiečių raketų, užgrobtų okupavus Vokietiją,
ekspertizę ir jų tobulinimo darbus. Per labai trumpą laiką jis sugebėjo
suburti pajėgų kolektyvą ir pasinaudodamas praktiškai neribota valdžiusios
tada Sovietų Sąjungą klikos parama sukurti ir paleisti 1957 rugpjūtį
pirmąją tarpkontinentinę balistinę raketą, o mažiau kaip po dviejų mėnesių
– 1957 spalio 4 – ir pirmąjį dirbtinį Žemės palydovą. Šaltojo karo metais
supervalstybių varžybos šioje srityje buvo viena svarbiausių jų prestižo
komponenčių, todėl itin skatinant šiuos tyrimus, Koroliovo konstruktorių
biuras ilgai pirmavo lenktynėse. 1961 balandžio 12 į kosmosą nuskrido
pirmasis žmogus – J. Gagarinas, 1963 birželio 16 – pirmoji moteris – V.
Tereškova, 1964 spalio 12 – pirmasis kosminis laivas su dviem kosmonautais,
1965 kovo 18 – pirmasis kosmonauto (A. Leonov) išėjimas iš laivo skrydžio
metu į erdvę. Vystėsi ir nepilotuojamų skrydžių technika. 1959 Luna 2 ir
Luna 3 apskrido Mėnulį ir pirmą kartą nufotografavo jo nematomąją iš Žemės
pusę. Apie 1960 S. Koroliovui buvo iškeltas uždavinys sukurti kosminį
laivą, galintį nugabenti į Mėnulį žmones. Jo sukurtas šiam tikslui kosminis
laivas Sojuz ilgą laiką buvo naudojamas gabenant kosmonautus ir krovinius į
dabar jau nebeegzistuojančią kosminę stotį “Mir”. Praktiškai visą gyvenimą
šio žmogaus vardas buvo kruopščiausiai slepiamas. Jis buvo vadinamas
“Vyriausiuoju konstruktoriumi”, niekas negalėjo jo nei filmuoti, nei
fotografuoti. Tik po mirties 1966 metais, laidotuvių metu, pasaulis galų
gale išgirdo šią nieko nesakančią pavardę.
W. von Braun nuo 1932 metų dirbo jau minėto H. Oberth laboratorijoje prie
Berlyno, kūrusioje karo ginklus ir raketas. Pirmoji raketa, sukurta paties
W. von Braun grupės, buvo žymima A1, antroji – A2 ir taip toliau. Karo metu
šiam darbui Hitlerio režimas pradėjo skirti nemažą dėmesį, W. von Braunui
Peenemuende vietovėje šiaurės rytų Vokietijoje buvo pastatyta speciali
laboratorija. Žinomiausia tais metais jo sukurtų raketų yra A4, kuri
Vokiečių propagandos ministerijos buvo pavadinta Keršto ginklu V2
(Vengeance Weapon). Naudojant koncentracijos stovyklų kalinių darbą, buvo
pagaminti tūkstančiai šių raketų, kurios buvo naudojamos ir kaip teroro
ginklas, tai yra griovimams ir civilių žudynėms.
Pav. 5.1. Vokiečių raketa V2, vienas iš pačių galingiausių Antrojo
Pasaulinio karo ginklų.
Raketa, sukurta 1942, svėrė apie 13 tonų, galėjo gabenti apie 900 kg
sprogmenų, pasiekdavo iki 80 km aukštį ir nuskriedavo atstumą, artimą 300
km. Tais laikais tai buvo fantastiški parametrai. W. von Braun domėjimasis
šių raketų pritaikymu ne tik karui, bet ir kosminiams skrydžiams neliko
nacių nepastebėtas. Už tariamą sabotažą ir nepakankamą dėmesį raketų kaip
ginklo tobulinimui agonijoje esantis režimas dvi savaitės iki galutinio
žlugimo netgi areštavo jį ir dar keletą bendraminčių. 1945 staigus Vakarų
sąjungininkų pajėgų puolimas leido jiems užimti Peenemuende ir išlaisvinti
konstruktorius. Pats W. von Braun ir apie 120 jo geriausių inžinierių
greitai pasirašė kontraktus su JAV Armija, susikrovė beveik visas likusias
raketas, ir buvo išvežti į JAV, nes po kelių dienų pagal susitarimą tą
vietovę okupavo Sovietų armija. Rusai, užėmę miestelį, elgėsi sau būdinga
maniera ir žymiai rafinuočiau. Esu daugiau kaip prieš dešimtmetį matęs BBC
filmą, tada slaptai atvežtą į Sovietų Sąjungą, kuriame buvo užfiksuoti
likusių gyvų tų įvykių dalyvių prisiminimai. Taip ir nesupratau, kam
leidus, o gal ir savo rizika, nes neužilgo jis pasimirė, akademikas
G.Flerovas, išgarsinęs Sovietų Sąjungą ne tik dalyvaudamas kolektyve,
kūrusiame branduolines bombas, bet ir jau vėliau savo laboratorijoje
pirmasis pasaulyje surasdamas ir identifikuodamas supersunkiųjų labai
trumpai gyvuojančių branduolių izotopus, pakvietė mus, nedidelį ratą savo
bendradarbių ir svečių vieną vakarą po konferencijos Branduolinių tyrimų
laboratorijoje Dubnos mieste netoli Maskvos pasižiūrėti šį filmą. Filme
buvo rodomi dokumentiniai kadrai ir keletos vokiečių šeimų komentarai.
Rusai, užėmę miestą, paskyrė komendantą, kuris, tuoj pat suregistravęs jo
gyventojus, dirbusius raketų gamykloje, pakvietė juos pas save į priėmimą.
Tokio kokybiško maisto ir tiek degtinės karo trūkumų išvarginti vokiečiai
buvo seniai neregėję, todėl smagiai praleidę vakarą ir iki soties
pasišnekėję su svetingais šeimininkais, ramiai sumigo savo namuose. Vidurį
nakties jie visi su šeimomis, apie 300 žmonių, buvo pakelti iš lovų,
susodinti į vagonus ir išvežti į Uralą. Kareiviai gi iki varžto išardė dvi
ar tris likusias ne visai baigtas statyti ir neišvežtas amerikiečių V2 ir
pervežė ten pat. Žmonės neturėjo kitos išeities, kaip tik atstatyti šias
raketas. Nežinia, kaip būtų jiems baigęsi, bet po Stalino mirties
besiveržiantis į valdžią KGB šefas Berija juos už sėkmingai atliktą darbą
ne sušaudė, o kažkodėl tai paleido atgal į Vokietiją. Matyt, KGB jie buvo
tiek prigąsdinti, kad išdrįso papasakoti šiuos savo nuotykius tik po
daugelio dešimtmečių, atėjus į valdžią Gorbačiovui ir pasibaigus šaltojo
karo košmarams. Ši istorija, aišku, buvo gerai ir seniai žinoma tam pačiam
G. Flerovui, filmo jis niekaip nekomentavo, nors šiaip buvo labai kalbus
žmogus, pasižymintis labai geru jumoro jausmu. Aišku, ji buvo nemažas
smūgis rusų konstruktorių ir to paties S. Koroliovo prestižui.
Taigi, ir rusų, ir amerikiečių raketos faktiškai turėjo vieną prototipą –
V2, ir vieną patriarchą – W. von Braun. Nedidelį amerikiečių atsilikimą nuo
rusų pirmajame kosminių lenktynių etape galima paaiškinti tik tuo, kad
rusai, nors būdami protingi ir labai kvalifikuoti specialistai, kuriems
irgi labai rūpėjo naujovės, režimo buvo verčiami kuo greičiau duoti
rezultatą, gi W.von Braun galėjo leisti sau Amerikoje iš esmės patobulinti
minėtą savo kūrinį. Tai atėmė kiek daugiau lėšų ir laiko, bet ilgainiui
užtikrino visišką šios technikos pranašumą, ką dabar ir matome. Saturno V
raketa, nugabenusi žmones į Mėnulį, buvo šio konstruktoriaus pasiekimų
viršūnė, pakeitusi visą kosminių skrydžių istoriją. Šiuolaikinės raketos
yra, nors ir nemažos, bet vis tik šių pirmųjų modifikacijos.
Pav. 5.2. Didžiausioji raketa – Saturn V. Dešinėje stovi W. von Braun.
Taigi, turime raketą. Vis tik, norint ja gabenti į kosmosą žmogų, reikia
dar daug ko ir pirmiausia – to keleivio (keleivių) gyvenimą ir darbą
palaikančios sistemos, kuri ir yra kosminis laivas. Kosminė erdvė yra
visiškai nepalanki gyvybei. Joje yra tik labai nedaug vandenilio atomų arba
molekulių, todėl ne tik maistą, bet netgi ir orą kvėpavimui tenka vežtis su
savimi. Antra, būnant orbitoje arba toliau nuo Žemės visai kompensuojasi
arba labai sumažėja jos trauka. Organizmas gi pripratęs prie Žemės traukos,
todėl tenka laive, ypač jei skridimas tęsiasi ilgai, įrengti ir kažkokią
tai sistemą, imituojančią trauką, kad nesiatrofuotų kai kurie organai.
Trečia, kaip žinome, kosmoso temperatūra artima absoliučiam nuliui, todėl
objektai, koks yra ir kosminis laivas, neapšviesti Saulės, greitai atvėsta.
Išnirus palydovui iš Žemės šešėlio, Saulė minučių bėgyje jį gali įšildyti
iki pražūtingų temperatūrų, taigi, reikalinga dar ir kažkokia temperatūros
reguliavimo sistema. Ketvirta, kosminiai laivai, nutolę nuo Saulės,
nebegauna pakankamai jos energijos netgi kompiuterių ir komunikacijos
prietaisų maitinimui, todėl pastaruoju metu į juos dedami miniatiūriniai
branduoliniai reaktoriai. Prieš tokią praktiką pasisako žalieji, gal jau ir
matėte spaudoje panašias žinutes. Jų argumentacija gana įtikinanti – jei
tokios raketos paleidimas nebūtų sėkmingas ir ją prie pat Žemės ištiktų
avarija, radioaktyvus užteršimas gali būti gana pavojingas.
Galų gale, išskridus kosminiam laivui už atmosferos ribų, niekas nesulaiko
pražūtingų trumpabangių spindulių ir kosminiuose spinduliuose esančių
didelių energijų dalelių. Reikia saugotis ir jų, o taip pat skrajojančių
erdvėje nedidelių makroskopinių kūnų, kurie nukritę į Žemę žinomi kaip
meteoritai. Be to, Saulė ir kiti dangaus kūnai turi stiprius magnetinius
laukus, jie gali sugadinti prietaisus, reikia atkreipti dėmesį dar ir į
tai. Visos išvardintos priemonės daro kosminį skrydį labai brangia ir gana
pavojinga operacija.
Didžiausia žinoma katastrofa, susijusi su kosmoso tyrimų technika, įvyko
Baikonure, rusų kosmodrome Kazachijos teritorijoje 1960 metų spalio 24
dieną, pusę valandos prieš paleidimą, kai personalas dar nebuvo saugioje
vietoje. Dėl klaidingos komandos užsidegė tarpkontinentinės raektos antroji
pakopa. Gaisro, kuris tęsėsi apie 2 valandas, metu žuvo 92 žmonės, tarp jų
– rusų maršalas, strateginės ginkluotės vadas M. Nedelinas. Dar ir po šiai
dienai spalio 24 iš Rusijos nėra pakilusi jokia raketa. Neišsiskleidus
parašiutui po nesėkmingo paleidimo grįžtant į Žemę, 1967 užsimušė rusų
kosmonautas, 1971 grįžtant iš orbitos dėl kabinos išhermetinimo užtroško
trys rusų kosmonautai, 1986 pakilimo metu sprogo JAV kosminis laivas –
švytuoklė Challenger, žuvo visi septyni įgulos nariai. 2003 metų vasario
pirmąją, grįždamas iš orbitos, avariją patyrė erdvėlaivis Columbia, vėl
žuvo visi septyni kosmonautai. Daug skrydžių, panašiai kaip Apolo XIII
skrydis į Mėnulį, nesibaigė tragiškai tik per stebuklą, nes įgula buvo
išgelbėta tik jos pačios ir valdančio skrydį personalo meistriškumo dėka.
Pav. 5.3. Erdvėlaivis starto aikštelėje.
Pav. 5.4. Columbia erdvėlaivio startas.
Pav. 5.5. Erdvėlaivis orbitoje.
Šiaip raketa nėra labai vykusi transporto priemonė, nes apie 90-95
procentus jos masės sudaro kuras, atidirbusios pakopos paprasčiausiai
numetamos dar atmosferoje, įvykus kad ir mažiausiai avarijai paleidimo metu
jos kelia didelį pavojų aplinkiniams dideliame plote. Rusų raketos,
leidžiamos iš Baikonūro kosmodromo Kazachstane yra taip užteršę didelį
regioną, kad gyvenimas ten jau labai pavojingas, jei iš viso įmanomas. Dėl
šios priežasties Kazachstano valdžia reikalauja vis didesnių kompensacijų
ir kosmodromo eksploatacija gali iš viso nutrūkti.
Kad įspūdis apie kosminių skrydžių mastus būtų kuo pilnesnis, galiu
paminėti, kad didžiausia kada nors paleista iš Žemės raketa yra jau minėta
Saturn V. Jos ilgis 111 metrų, pati sistema sveria 3.4 milijono kg, o jos
pirmoji pakopa – apie 2.3 milijono kg. Ši pastaroji, pilnai sudegusi per 2
minutes ir 40 sekundžių, pakelia laivą į 66 km aukštį. Vienam paleidimo
liudininkui susidarė įspūdis, kad paleidimo metu ne tik Saturnas V pakilo,
bet ir žemyn pajudėjo visas Kanaveralo iškyšulys Floridoje, kur yra
J.F.Kenedžio kosmodromas. Antroji pakopa pakelia laivą į 193 km aukštį,
suteikia jam 27 350 km/val greitį ir išveda į Žemės orbitą. Trečioji
pakopa, pasiunčianti jį į trajektoriją Mėnulio link galų gale suteikia
laivui 39 110 km/val greitį.
Visus kosminius skrydžius galima tarsi suskirstyti į kelias grupes.
Pirmiausia tai yra nepilotuojami skrydžiai, skirti paleisti kokį nors
palydovą su ryšių ar stebėjimo įranga. Tai gana paprastas skrydis, kurio
technika gerai išstudijuota. Tokio tipo laivus dabar jau pradeda leisti
netgi valstybės, tokios kaip Prancūzija, Kinija ar Indija, neturinčios
elitinių šioje srityje statuso. Galų gale, jei kokia valstybė ar stambi
kompanija pasigamina kokį objektą, kurį nori patalpinti pageidaujamoje
orbitoje, ji gali paprasčiausiai užmokėti už paslaugą specialistams raketa
pakeliant tą palydovą į orbitą. Stambiausias toks palydovas šiuo metu yra
tarptautinė Kosminė Stotis, skriejanti orbita apie Žemę, kurios didžiausias
atstumas yra 406, o mažiausias – 382 kilometrai. Ji apskrieja Žemę maždaug
per pusantros valandos. Ši stotis reikalauja nuolatinės priežiūros, nes kas
parą jos orbitos atstumas nuo Žemės sumažėja apie 200 metrų, ir reguliariai
ją tenka pakelti į aukštesnę orbitą, nes nusileidus jai žemiau tos
minimalios ribos kritimo procesas tampa sunkiai koreguojamas.
Pav. 5.6. Tarptautinė Kosminė Stotis orbitoje.
Antroji palydovų rūšis – zondai su tyrinėjimo aparatūra, skirta
tolimesniems nei Žemė objektams tyrinėti. Jiems reikia suteikti didesnį
greitį, kad jie taptų nebe Žemės, o Saulės palydovais. Reikalinga
galingesnė raketa ir subtilesnė įranga. Kaip minėta, tokie laivai gali
turėti rafinuotesnius energijos šaltinius ir įvairiausių prietaisų vienam
ar kitam Saulės sistemos objektui tyrinėti. Tokiu atveju pirmosios raketos
pakopos (pakopa) pakelia šį objektą į orbitą apie Žemę, ir tik po to
sekanti pakopa suteikia jam greitį, reikiamą atsiplėšti nuo Žemės. Jei
numatoma labai ilga kelionė, palydovas paleidžiamas tarsi į kitą, nei
reikia, pusę, kad Saulės apskriejimas jį dar labiau pagreitintų, o
trajektorija dar priedo eitų netoli kitų planetų, kas taip pat dar tą
greitį padidina. Tokiu būdu, nors ir prarandama kiek laiko, sutaupomos
paleidimo lėšos. Labiausiai nutolę šiuo metu nuo Žemės raketos yra Pioneer
10 ir Pioneer 11, paleistos 1972 ir 1973 metais. 1983 metais pirmasis jų
kirto Plutono orbitą ir būdamas apie 10 milijardų km atstume, jau ruošiasi
išskristi už Saulės sistemos ribų. Su juo dar neseniai buvo palaikomas
šioks toks ryšys, nors signalai ir labai silpni, o jų kelionė į Žemę judant
šviesos greičiu tęsiasi dešimtis valandų. 1977 metais paleisti Voyager 1 ir
Voyager 2 taip pat ruošiasi palikti Saulės sistemą. Visi šie laivai veža
plokštes su vaizdais, audio ir video įrašais, informuojančiais apie Žemę ir
jos gyventojus.
Pav. 5.7. Toliausiai nuo Žemės nuskrieję kosminiai laivai (NASA).
Pav. 5.8. Pirmieji žmonės Mėnulyje.
Sudėtingiausi, be abejo, yra pilotuojami skrydžiai. Per trisdešimt metų,
prabėgusių nuo žmonių išsilaipinimo Mėnulyje, jokių revoliucinių projektų
nerealizuota. Artimiausia kelionė būtų į Marsą, tačiau ji užima labai daug
laiko, reikalauja žymiai didesnių sąnaudų kosmonautų gyvybingumo
užtikrinimui ir sėkmingam grįžimui, todėl nors ir buvo entuziastingai
planuota, kol kas neįvyko ir nežinia kada įvyks. Labai pesimistiškai
nuteikia keleta nepavykusių nepilotuojamų skrydžių į šią planetą, rodančių,
kad kol kas tai būtų gana rizikingas žygis. Nemažą rolę čia vaidina ir tai,
kad pasibaigus šaltajam karui kosminiai tyrimai prarado savo prestižiškumą.
Nelikus varžybų elemento jiems neskiriama tiek dėmesio ir finansų, kaip
ankstesniais metais. Kiek vilties įžiebia tai, kad stiprios finansiškai
valstybės, tokios kaip Europos Sąjunga ar Japonija, kuo toliau, tuo mažiau
linkę taikstytis su JAV hegemonija šioje srityje, ir ateityje gali sudaryti
joms tokią pageidaujamą konkurenciją ir vėl sukelti
sveiką varžymąsi šioje išties įdomioje mokslinių tyrimų srityje.

Klausimai

1. Žemės palydovo, tokio kaip kosminė švytuoklė (Šatl’as) greitis

orbitoje Žemės paviršiaus atžvilgiu?

2. Žemės palydovo, tokio kaip tarptautinė Kosminė Stotis, vieno

apsisukimo judant orbitoje laikas?

3. Kuriais metais paleistas pirmasis dirbtinis Žemės palydovas?

4. Kuriais metais į kosmosą skrido pirmasis žmogus?

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

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

6. Saulės imperija. Atsiradimas ir likimas

Dabar, kai išsiaiškinome pagrindines Saulės sistemos savybes, galima
pakalbėti apie jos susidarymo hipotezes. Pirmasis, pabandęs kaip nors
aiškinti Saulės sistemos atsiradimą, buvo prancūzų matematikas ir filosofas
R. Descartes, kuris 1644 paskelbė, kad ji susidarė iš gigantiško kažkokio
tai “universalaus skysčio” sūkurio, ir kiekviena planeta yra tarsi atskiras
mažesnis sūkurėlis. Ši teorija yra labai primityvi, ji šiek tiek derinasi
tik su heliocentrinės sistemos idėja ir faktu, kad visos planetos orbitomis
juda į tą pačią pusę. Nežiūrint šių trūkumų, ši teorija laikoma pirmąja iš
evoliucinių Saulės sistemos kilmės teorijų. Bendras tokių teorijų bruožas
yra tas, kad planetos atsiranda gimstant centrinei žvaigždei be jokių
ypatingų apribojimų ar sąlygų. Jos leidžia egzistuoti planetų sistemoms ir
daugelio kitų žvaigždžių aplinkoje, kadangi jų požiūriu tai yra natūralus
reiškinys.
Šią idėją vėliau vystė I. Kant, kuris, jau remdamasis Niutono mechanikos
principais, 1755 teigė, kad besisukantis dujų debesis gali evoliucionuoti į
diską, panašų į Saturno žiedų sistemą. Mintį 1796 pratęsė prancūzų
matematikas P. S. de Laplace, kuris įrodė, kad toks debesis gali suskilti į
žiedus, iš kurių ilgainiui kondensuojasi planetos.
Pav. 6.1. Diskas su sūkuriais.
Šios evoliucinės kilmės teorijos turėjo tą trūkumą, kad negalėjo
paaiškinti, kur dingo didžiulis judesio kiekio momentas, sukauptas tame
debesyje. Jei viskas būtų vykę pagal šį scenarijų, Saulė dar ir šiuo metu
turėtų turėti žymiai didesnį judesio kiekio momentą. Dabar gi jos sukimasis
lėtas, ir todėl ši hipotezė nesiderina su tvermės dėsniu, kuris tokiems
dideliems judesio kiekio momentams taip paprastai pražūti neleidžia.
Prisiminkite dažnai matytą vaizdą, kai ištiesęs į šonus rankas čiuožėjas
įsisuka, o po to pritraukia rankas prie kūno. Kampinis jo sukimosi greitis
tokiu atveju staiga padidėja, ir tai įvyksta dėl minėto judesio kiekio
momento tvermės dėsnio, kuris reikalauja, kad kompaktiškiau paskirstyta
masė suktūsi didesniu kampiniu greičiu. Panašiai ir Saulė, kurioje
sukoncentruota 99.85 procento, tai yra beveik visa sistemos masė, byloja
apie debesies, iš kurio ji ir sistema turėtų būti susidarę, istoriją. Jeigu
čiuožėjas gana greitai po tokios operacijos sustoja, tai tik todėl, kad jį
veikia trinties jėgos, kurios Saulei neaktualios. Taigi, ji sukasi per
lėtai, tuo kompromituodama šias pirmąsias evoliucines jos kilmės teorijas.
Kita teorijų grupė buvo paremta katastrofos įvaizdžiu. Buvo teigiama, kad
susiformavusi ir evoliucionavusi įprastiniu būdu Saulė patyrė kokią tai
katastrofą, po kurios ir susiformavo planetos. Pirmasis apie tai prabilo
toks G. L. de Buffon, kuris dar 1745 teigė, kad planetos galėjo susidaryti
praskrendant netoli Saulės kokiam tai masyviam kūnui, gal panašiam į
kometą, bet daug didesniam. Dėl šio kūno sąveikos su Saule iš jos galėjo
būti išplėštas dujų debesis, iš kurio vėliau ir susidarė planetos. Ši idėja
buvo užmiršta iki dvidešimtojo amžiaus pradžios, kai problemos su lėtu
Saulės sukimusi privertė ieškoti alternatyvių evoliucinėms Saulės sistemos
susidarymo teorijų. Kiek patobulinus pradinę idėją, buvo teigiama, kad
praskristi šalia Saulės galėjo kita žvaigždė, o medžiaga iš jos vidaus
galėjo būti išplėšta veikiant jėgoms, panašioms į tas, kurioms veikiant
Mėnulis Žemėje sukelia potvynius.
Silpnoji tokių teorijų vieta yra tame, kad toje Galaktikos vietoje, kurioje
mes dabar esame, žvaigždės išsidėstę retai ir tokio įvykio tikimybė labai
maža.
Gelbėti padėtį galima pasiūlius kitą scenarijų, pagal kurį Saulė susidarė
kaip trijų žvaigždžių sistemos narys. Besivystydama tokia sistema galėjo
suskilti į atskiras žvaigždes, ilgainiui nutolusias viena nuo kitos. Būtent
jų išsiskyrimo momentu ir galėjo būti išplėšta medžiaga, iš kurios susidarė
planetos. Tokia teorija lengvai paaiškina lėtą Saulės sukimąsi, bet
atsiranda kitų problemų. Skaičiavimai parodė, kad medžiaga, išplėšta iš
Saulės dėl labai aukštos temperatūros linkusi greičiau išplisti ir
išsiskirstyti erdvėje, negu kondensuotis į planetas. Be to, pesimistiškai
nuteikia deuterio gausa planetose ir tarpplanetinėje erdvėje. Tai yra
didelė šios teorijos problema, nes deuterio, kuris sunkiajame vandenyje
pakeičia vandenilį, dėl vykstančių joje termobranduolinių reakcijų
specifikos (tai galima lengvai suprasti pažvelgus į Pav. 10.2) beveik visai
nėra Saulėje ir taip pat neturėtų būti bet kuriame darinyje, pagimdytame iš
Saulės medžiagos.
Dar viena, taip vadinama akrecijos teorija gimė 1940 metais. Jos autoriai
buvo rusas O. J. Šmidt ir švedas H. Alfven. Jie išnagrinėjo hipotezę,
paremtą tuo, kad susiformavus Saulei jos gravitacinis laukas pritraukė
materiją iš kaimyninių tarpžvaigždinės erdvės sričių, o susidariusiame
diske, kaip parodė C.F. von Weiczäcker, dėl įvairių dalių skirtingo
sukimosi greičio gali susiformuoti besisukantys medžiagos gabalai, linkę
tolti vienas nuo kito ir vėsdami sudaryti sferinius kūnus – planetas.
C.F.von Weiszäcker netgi išnagrinėjo, kaip tokių darinių dydis priklauso
nuo atstumo nuo Saulės. Nemažai kitų tyrinėtojų, modeliavusių šį procesą,
patvirtino hipotezę. Pasirodė, kad tikimybė tokiems dariniams
besisukančiame diske susiformuoti yra pakankamai didelė, kad toks procesas
galėtų vykti.
Problemos sprendimas įgavo realius kontūrus tik 1960 metais, kai atradus
Saulės vėją paaiškėjo, kad ji galėjo prarasti savo judesio kiekio momentą
dėl nuolatinio dalelių spinduliavimo ir magnetinio lauko, kuris sukantis
Saulei irgi sukasi ir traukia paskui save šias daleles, o tai labai stabdo
sukimąsi, kuris gali efektingai lėtėti panašiai kaip dėl trinties į ledą
sulėtėja čiuožėjo sukimasis. Tai reabilituoja evoliucines teorijas, todėl
galutinis, nusistovėjęs šiuo metu ir labiausiai įtikėtinas Saulės sistemos
atsiradimo būdas turi daug minėtų evoliucinių teorijų elementų.
Šiuolaikinė planetų sistemų formavimosi teorija paremta hipoteze, kad
planetų formavimasis neatsiejamas nuo pačios žvaigždės formavimosi proceso.
Kaip formuojasi pačios žvaigždės, galima netgi stebėti gerais teleskopais
ir šiuo metu. Įtikėtina, kad Saulė susiformavo iš standartinio
tarpžvaigždinės medžiagos debesies, sudaryto iš vandenilio ( 73% ), helio (
25% ) ir kai kurių kitų elementų dujų bei dulkių mišinio. Tokio debesies
tankis yra tarp 10 ir 100 atomų į kubinį centimetrą. Tai yra labai mažai,
netgi palyginus su Žemės atmosferos tankiu, kuris siekia 1019 molekulių į
kubinį centimetrą. Toks debesis galėtų būti išplitęs dešimčių šviesos metų
matmenų srityje. Atsitiktinis sutankėjimas arba kokia išorinė perturbacija
tokiose dujose gali būti pakankami sukelti gravitacines jėgas,
įtraukiančias į šią sritį aplinkinę medžiagą. Nuo nuolatinio vis
intensyvėjančio materijos pritekėjimo centre gali susiformuoti sritis,
kurios tankis ir temperatūra nuolatos auga. Auga taip pat jos magnetinio
lauko stipris ir sukimosi kampinis greitis, nes dėl jau minėto judesio
kiekio momento tvermės dėsnio debesies momentas niekur išnykti negali. Dėl
šių priežasčių kolapso centro temperatūra išauga tiek, kad jame prasideda
branduolinės reakcijos, ir užsidega nauja žvaigždė. Kaip minėta, tokie
procesai yra stebimi ir dabar kai kuriose Galaktikos vietose, todėl tokia
galimybė susiformuoti Saulei yra labai tikėtina.
Kaip tokio debesies viduje įsižiebus žvaigždei atsiranda planetos, yra
žinoma kiek mažiau dar ir paprasčiausiai dėl tos priežasties, kad stebėti
tokį procesą kokios nors kitos žvaigždės aplinkoje kol kas neįmanoma, ir
galime vadovautis tik vieno galutinio produkto – jau susiformavusios Saulės
sistemos – stebėjimais. Skaičiavimai rodo, kad toks debesis dėl žvaigždės
sukimosi, jos magnetinio lauko poveikio ir kitų efektų turi persitvarkyti į
gana tankų plokščią diską, panašų į kai kurių planetų diskus. Jo išorinės
sritys lieka pakankamai atvėsę, nes jose žvaigždės formavimosi efektai
nepasireiškia. Toliau evoliucionuojant šiam diskui, pradeda atsirasti
stambesni dariniai, vadinami planetoidais. Jos susidaro nuolatos
susiduriant disko dalelėms. Kadangi santykiniai tų dalelių greičiai (lygūs
apytikriai 10 km/s) yra ne tokie dideli, kad susiduriančios dalelės sudužtų
ir išsilakstytų, bet pakankami, kad susidūrimo metu jos suliptų,
stambesniųjų darinių formavimosi procesas vyksta labai intensyviai,
efektingai ir greitai. Paskaičiuota, kad gana stambūs planetoidai susidaro
iš debesies per keletą tūkstančių metų.
Pav. 6.2. Susiformavęs planetarinis diskas.
Jų sukimosi kryptis turi sutapti su debesies sukimosi kryptimi, kas ir
stebima Saulės sistemoje. Nedidelės išimtys, tokios kaip Venera ir Uranas,
galėjo atsirasti dviems planetoidams susidūrus ne kaktomuša, o judant prieš
susidūrimą kiek skirtingomis kryptimis. Akivaizdu, kad minėtas debesis
negalėjo būti nei labai homogeniškas, nei labai izotropiškas. Dėl šių
priežasčių, o taip pat dėl įvairaus nuotolio nuo Saulės, susidariusių
planetų savybės yra tokios skirtingos. Manoma, kad Mėnulis atsirado
susidūrus jaunai Žemei ir dideliam planetoidui.
Pav. 6.3. Žemės ir didelio planetoido susidūrimas.
Pav. 6.4. Tikėtinas Mėnulio susidarymo procesas.
Tokie susidūrimai netgi jau galutinai susiformavusioje Saulės sistemoje yra
ne taip jau reti ir šiais laikais. Prieš keletą metų, pavyzdžiui, stebėtas
Šumeikerio – Levi kometos susidūrimas su Jupiteriu, planetose ir jų
palydovuose matosi daugybė kraterių. Identifikuota nemažai katastrofų
liekanų ir Žemėje, nors jos atmosfera, tekantis paviršiumi vanduo,
apledėjimai ir žmogaus veikla ardo buvusius kraterius ir juos maskuoja. Vis
tik galima drąsiai teigti, kad kai kurie gigantiški dariniai yra buvusių
katastrofų liekanos. Pirmiausia tai galėtų būti didelė įduba po Antarktida,
beveik 300 km diametro krateris Indijos vandenyne, 140 km diametro įduba
Kanadoje, ne mažiau kaip trys 100 km diametro krateriai Pietų Afrikoje ir
Amerikoje bei daugelis mažesnių. Vėstant pagimdžiusiam Saulę ir planetas
debesiui ši veikla silpsta, globalinių katastrofų tikimybė mažėja, tačiau
nuliui ji niekada nebus lygi.
Manoma, kad toks planetų sistemų formavimosi mechanizmas buvo ir yra labai
populiarus Visatoje ir plačiausiai vyksta netgi šiuo metu. Stebimos
žvaigždės su besiformuojančiu arba jau susiformavusiu priešplanetiniu
disku. Spaudoje nuolatos pasirodo pranešimai, kad planetų sistemos
aptinkamos beveik visose palyginti netolimose žvaigždėse, nutolusiose nuo
Žemės atstumais, kuriuose tas sistemas dar galima aptikti.
Išdėstytas planetų susidarymo scenarijus neprieštarauja stebimoms Saulės
sistemos savybėms ir, jei kur nors netikslus, tai tik detalėse, kurios yra
nuolatos patikslinamos.
Kas likę šiuo metu iš to debesies, kame juda planetos, kas yra tas Saulės
vėjas – štai klausimai, kuriuos mums leika išsiaiškinti prieš baigiant
pokalbį apie Saulės sistemą.
Šiuo metu iš debesies belikę tik liekanos, kurių tankis ne didesnis kaip 1
atomas į kubinį centimetrą (tai yra toks vakuumas, apie kurį fizikai Žemės
laboratorijose gali tik svajoti), bet tarpplanetinė erdvė buvusio disko
srityje ir jos aplinkoje, tai yra netoli Ekliptikos plokštumos, yra
prisipildžiusi dulkių, susidariusių įvairių skraidančių objektų susidūrimų
ir irimo procese. Šių dulkių dalelių charakteringos matmenys sudaro apie
vieną mikroną, jos gali būti netiesiogiai stebimos sklindant per dulkes
Saulės šviesai, nes tokioje dispersinėje aplinkoje ji yra efektingai
sklaidoma. Vienas tokių reiškinių yra Zodiako šviesa. Ji matoma kaip
silpnas nakties dangaus švytėjimas tose Zodiako juostos srityse, kurios yra
apie Saulę, todėl gali būti stebimas vakaruose Saulei nusileidus ir rytuose
prieš jai patekant. Palankiausias stebėjimo laikas – maždaug valanda po
saulėlydžio ir tiek pat – prieš saulėtekį. Priešingoje Saulei dangaus
srityje tuo pat metu gali būti pastebimas vėlgi kiek didesnis skaistis.
Tai yra taip vadinama atošvaistė. Geriausiai šie reiškiniai matomi Žemės
atogražų juostoje. Šios dulkės ne tik taip gražiai atspindi Saulės šviesą;
jos nuolatos krenta į Žemę, kasdien pridėdamos prie jos masės apie
aštuonias tonas.
Yra dar ir kitokios prigimties dujų, užpildančių visą tarpžvaigždinę erdvę.
Šios dujos dėl Saulės judėjimo orbita apie Galaktikos centrą juda mūsų
atžvilgiu maždaug 20 km/s greičiu. Tai yra fiksuota ir stebima nuo 1970
metų pagal sudarančių šias dujas vandenilio ir helio atomų ultravioletinį
spinduliavimą.
Bene paskutinis, bet irgi labai įdomus reiškinys yra nuolatos “pučiantis”
pro Žemę Saulės vėjas. Tai yra elektringos dalelės – protonai, elektronai,
helio atomo branduoliai (alfa-dalelės) – susidarančios “degant” Saulei ir
nuolatos iš jos išlekiančios į visas puses. Dėl šio spinduliavimo Saulės
masė kasmet sumažėja apie 1013 tonų. Saulės judesio kiekio momentas mažėja
būtent dėl to, kad jos magnetinis laukas suka šias daleles ratu ir tuo
pačiu sukelia sukimosi energijos, o tuo pačiu ir kampinio greičio
sumažėjimą. Šio vėjo greitis prie Žemės siekia 300-400 km/s.
Pav. 6.5. Saulės vėjo poveikis Žemės magnetosferai.
Aktyvios Saulės laikotarpiais jo šuorų greitis žymiai padidėja ir gali
pasiekti netgi 800 – 900 km per sekundę reikšmes. Daug galima kalbėti apie
jo prigimtį ir savybes. Paminėsiu tik, kad jis pasireiškia nulenkdamas
kometų uodegas nuo Saulės ir sukeldamos polines pašvaistes, tai yra
aukštutinių atmosferos dalių švytėjimą. Taip atsitinka dėl Saulės vėjo
dalelių susidūrimų su atmosferos dujų atomais ir molekulėmis. Pašvaistės
švyti 80-300 km aukštyje, todėl didelio Saulės aktyvumo laikotarpiais gali
būti matomos ne tik polių srityse, bet ir vidutinėse platumose, tai yra
taip pat ir Lietuvoje.
Pav. 6.6. Pašvaistė.
Taigi, pati Saulė, o ir jos sistema, palaipsniui bręsta, rimsta, susiguli
ir sensta. Planetos ir kiti kūnai jau yra pilnai susiformavę, visokių
sistemos objektų susidūrimai darosi vis retesni ir retesni, taigi ir
gyvenimas Žemėje tampa vis saugesnis ir saugesnis. Gana patikimi
įvertinimai rodo, kad Saulėje tokios kaip dabar termobranduolinės reakcijos
vyks dar kokius penkis milijardus metų, tai yra maždaug tiek pat laiko,
kiek yra praėję nuo jos gimimo. To laiko turėtų visai pakakti gyvybei, jei
ji vis dar čia bus, taip išsivystyti, kad ir ši paskutinė katastrofa turėtų
nesukelti jokių problemų.

Klausimai

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

2. Kas tai yra Saulės vėjas?

3. Į kurią pusę Saulės atžvilgiu yra nukreipta didžiausia matomoji

kometos uodega? Kodėl?

4. Saulės amžius (milijardais metų).

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

6. Kiek apytikriai kartų Saulė per savo gyvavimo laiką galėjo apsisukti

apie Galaktikos centrą?

7. Kas tai yra planetoidas?

8. Kokia įtikinamiausia Mėnulio susidarymo teorija?

9. Kas tai yra Zodiako šviesa?

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

sekundę)?

11. Kiek laiko dar gali degti Saulė?

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

Pats svarbiausias Visatos objektas mums yra Žemė. Gerai visiems žinoma,
kaip ji atrodo ir kokio dydžio yra, tačiau vargu ar kiekvienas jūsų žino,
kaip ir kada buvo įrodyta, kad ji apvali ir kam lygus jos spindulys.
Dar 340 BC Aristotelis savo knygoje “Apie dangų” pateikė svarių argumentų,
kad Žemė yra ne plokščia kaip lėkštė, o apvali kaip rutulys. Pirmiausia,
jis susigaudė, kad Mėnulio užtemimai įvyksta tada, kai Žemė atsiduria tarp
Mėnulio ir Saulės ir jos šešėlis užkloja Mėnulį. Stebint šiuos užtemimus,
šešėlio kraštas, slenkantis Mėnulio paviršiumi, visada būdavo apvalus. Jei
Žemė būtų paplokščia, šešėlis dažniausiai turėtų atrodyti kaip ištęstas
elipsis. Antra, stebint nuo kranto atplaukiantį laivą, iš pradžių pasirodo
jo burės, po to stiebai, ir tik po to pats laivas. Galų gale, graikai daug
plaukiojo jūromis ir buvo pastebėję, kad Šiaurinė žvaigždė, plaukiant tolyn
į pietus, leidžiasi žemyn, tai yra artėja prie horizonto. Kaip nesunkiai
galime suprasti, šis reiškinys irgi byloja apie Žemės sferiškumą.
Pagal kampo, kuriuo matoma Šiaurinė žvaigždė, pasikeitimą Aristotelis
įvertino Žemės spindulį. Rezultatas tik apie 60 procentų viršijo tikslų,
žinomą šiuo metu. Tiksliau (10-20 procentų tikslumu) Žemės spindulį
paskaičiavo Eratostenas (276-195 BC). Senoje (Egipto mieste, kuris šiuo
metu yra apsemtas vandens pastačius Asuano užtvanką) jis pastebėjo, kad
keletą dienų metuose Saulės spinduliai pilnai apšviečia vieno gilaus
šulinio dugną. Atsitiktinai būdamas kitais metais Aleksandrijoje, uoste
prie Viduržemio jūros, jis pastebėjo, kad ten buvęs aukštas stulpas tuo
pačiu metu turi pakankamai pastebimą šešėlį. Jei Žemė būtų plokščia, jo
būti neturėtų. Pagal žinomą stulpo aukštį ir jo šešėlio ilgį (kampas buvo
maždaug lygus 7.2 laipsniams, tai yra maždaug 1/50 nuo 360 laipsnių) galima
nesunkiai suskaičiuoti Žemės pusiaujo apskritimo ilgį, o padalinę jį iš 2(,
surasti ir Žemės spindulį. Čia remiamasi tuo akivaizdžiu faktu, kad Saulė
yra pakankamai toli, ir jos spinduliai yra praktiškai lygiagretūs abiejuose
miestuose, nutolusiuose vienas nuo kito apie 800 kilometrų (50 x 800 km=40
000 km).
Pav. 7.1. Eratosteno samprotavimų schema.
Žinodami Žemės spindulį ir tai, kad ji pilną apsisukimą apie savo ašį
padaro per vieną parą, galime nesunkiai paskaičiuoti jos paviršiaus taškų
judėjimo greitį. Tas greitis, kaip prisimename, pasirodo gana didelis, bet
jo sukeliama išcentrinė jėga pasirodo labai nedidelė palyginus su jėga,
kuria kūnus traukia Žemė, neleisdama jiems paprasčiausiai nuskristi į
erdvę. Jei planetos masė būtų daug mažesnė, o para – trumpesnė, šis
sukimasis sukeltų visokių problemų.
Arčiausiai Žemės skrieja Mėnulis, taigi pirmiausia reikia pabandyti
išsiaiškinti, kokio dydžio ir kaip toli jis yra nuo Žemės. Pasirodo, ir
šiuos parametrus galima išmatuoti bei suskaičiuoti nesinaudojant beveik
jokia aparatūra.
Žinodami Žemės paviršiaus taškų judėjimo greitį, galime nesunkiai nustatyti
Mėnulio judėjimo orbitoje greitį, nes virš galvos visada yra praktiškai
nejudančios žvaigždės, šviesa iš kurių į Žemę dėl didelio nuotolio krenta
beveik lygiagretėmis tiesėmis. Belieka tik dviems stebėtojams suderinti
laikrodžius, susitarti, kokios žvaigždės atžvilgiu bus fiksuojamas Mėnulio
judėjimas, ir pasiruošti stebėjimui dviejuose taškuose, nutolusiuose
išilgai lygiagretės vienas nuo kito atstumu s. Pradedant šį matavimą reikia
prisiminti, kad Mėnulis, kaip dauguma Saulės sistemos kūnų, juda, stebint
iš Žemės šiaurinio pusrutulio pusės, prieš laikrodžio rodyklę. Taigi, jei
Žemė, kaip Mėnulis į Žemę, būtų atkreipta į Saulę visą laiką ta pačia puse,
para būtų lygi metams, Saulė arba būtų visai nematoma, arba visą laiką
“kabotų” tame pačiame taške, o Mėnulis labai lėtai judėtų iš vakarų į
rytus. Deja, Žemė sukasi labai greitai, todėl ir Saulė, ir Mėnulis atrodo
skriejantys iš rytų į vakarus, tik Mėnulis – kiek lėčiau, nes jis savo
orbita juda į priešingą pusę. Kai Mėnulio kraštas pradės kloti susitartą
žvaigždę, vakarų pusėje esančiam stebėtojui tai atsitiks laiko momentu tV,
o esantis rytuose tai stebės kiek vėliau – momentu tR. Jei Žemės paviršiaus
judėjimo greitį stebėjimo lygiagretėje pažymėsime vo , tai Mėnulio judėjimo
orbita ir Žemės paviršiaus taškų judėjimo greičių skirtumas bus lygus

vm – vo = s / (tR – tV).

Įstačius konkrečius dydžius, nesunkiai gautume, kad vm apytikriai lygus
1023 m/s arba 3690 km/h. Taigi, Mėnulio šešėlis pusiaujuje juda 3690-
1670=2020 km/h greičiu, nes iš gautos reikšmės reikia atimti Žemės
paviršiaus taškų pusiaujuje judėjimo greitį.
Pav. 7.2. Mėnulio stebėjimų schema.
Žinodami Mėnulio judėjimo savo orbitoje greitį nesunkiai surandame, kad per
savo metus (T = 27.3 paros) jis nuskrieja atstumą, lygų 2(r, kur r žymi
atstumą nuo Žemės iki Mėnulio, o jo greitis orbitoje, kurį ką tik suradome,
lygus to atstumo ir T santykiui. Iš šio sąryšio galime surasti atstumą iki
Mėnulio; jis lygus

r = vm T / 2(.

Mėnulio diametrą dabar jau galime surasti ne mažiau kaip dviems būdais.
Pirmiausia, galima užfiksuoti du laiko momentus – pirmąjį, kai Mėnulio
kraštas pradeda dengti konkrečią žvaigždę, ir antrąjį, kai ta žvaigždė vėl
tampa matoma. Per išmatuotą laiką Mėnulis nuskrenda atstumą, lygų savo
diametrui, taigi žinodami jo ir Žemės paviršiaus taškų greičio skirtumą tą
diametrą galime nesunkiai surasti.
Aristarchas (3 amžius BC) šią problemą išsprendė kiek kitaip, pagal Mėnulio
užtemimų trukmę (užtemimas trunka tiek laiko, kiek reikia Mėnuliui
nuskrieti orbita atstumą, lygų jo diametrui) ir elementarų iš brėžinėlio
sekantį ryšį, kad kampas, kuriuo iš Mėnulio matoma Žemė, apytikriai lygus
kampų, kuriais iš Žemės matoma Saulė ir Mėnulis, sumai.
Atstumą nuo Saulės iki Žemės galime surasti pamatavę kampą, kuriuo iš Žemės
matosi Mėnulis tuo momentu, kai Saulė apšviečia lygiai pusę jo, tai yra kai
Mėnulio šešėlio kraštas lygus jo diametrui. Šis kampas pasirodo lygus 89o
51′ . Stačiajame trikampyje, kurio vienas smailusis kampas yra žinomas,
nesunku pagal vieną žinomą statinį (atstumą nuo Žemės iki Mėnulio) surasti
kitą statinį, kuris būtent ir lygus atstumui nuo Žemės iki Saulės.
Pav. 7.3. Atstumo nuo Žemės iki Saulės matavimas.
Saulės diametrą galima nesunkiai surasti žinant Mėnulio diametrą ir abu
atstumus (nuo Žemės iki Mėnulio ir nuo Žemės iki Saulės) bei pasinaudojant
tuo faktu, kad Saulės užtemimo metu Mėnulis pilnai ją uždengia, kas
reiškia, kad jie abu matomi beveik tuo pačiu kampu.
Atstumų iki planetų matavimas jau yra sudėtingesnis, tačiau pirmasis
tikslus matavimas, paremtas labai sena ir gražia Thales ( VI amž. BC )
idėja, tikrai vertas čia paminėti. Idėjos esmę sudaro vadinamasis
trianguliacijos metodas. Tarkime, jūs norite išmatuoti upės plotį
nepersikeldamas per ją. Tam užtenka susirasti kokį nors orientyrą kitoje
pusėje, ir po to eiti išilgai upės tol, kol krypties į orientyrą kitoje
upės pusėje kampas netaps lygus 45 laipsniams. Toliau netgi nereikalinga
trigonometrija, nes upės plotis tokiu atveju tiesiog lygus nueitam
atstumui, vadinamam baze.
Pav. 7.4. Upės pločio matavimas per ją nepersikeliant.
Lengva šį metodą ir patobulinti. Jei upė labai plati, galima toli ir
nevaikščioti, pasinaudoti mažesne baze, bet tiksliau išmatuoti kampą į
orientyrą. Kadangi trikampis vėl status, upės plotį galima rasti arba iš
panašių trikampių, arba pasinaudojus trigonometrija. Turbūt supratote, kad
nuo bazės dydžio labai priklauso tokių matavimų tikslumas. Gautas
rezultatas bus tuo tikslesnis, kuo didesnė pasirinkta bazė, kuri, kaip
minėta, turi būti palyginama su upės pločiu. Čia ir yra pagrindinė problema
matuojant atstumus iki planetų, nes jie sudaro milijonus kilometrų, o Žemės
diametras, tai yra mūsų bazė, – tik 13 tūkstančių kilometrų. Kaip ten
bebūtų, jau Aristarchas daugiau ar mažiau tiksliai žinojo atstumus iki
penkių pagrindinių planetų.
Bersivystant kampų matavimo technikai, ilgainiui metodas buvo ištobulintas,
ir galutinai tikslus atstumas iki Marso buvo išmatuotas 1672 metais dviejų
prancūzų – Teams ir Cayenne, kurių pirmasis Paryžiuje, o antrasis –
Gvianoje tuo pačiu metu išmatavo šiuos kampus. Šis vienas matavimas leido
tiksliai nustatyti visų Saulės sistemos planetų orbitų spindulius, nes,
kaip matome iš 2 Lentelės, visoms joms orbitos spindulio kubo ir apsisukimo
periodo kvadrato santykis yra toks pat.
Pav. 7.5. Teams ir Cayenne atstumo iki Marso matavimo schema.
Saulės ir Žemės mases jau suradome ketvirtojoje paskaitoje. Planetų mases
galima suskaičiuoti žinant jų palydovų orbitų parametrus.
Taigi, elementarūs matavimai Saulės sistemoje nėra tokie jau sudėtingi ir
buvo atliekami prieš daugelį metų, nesinaudojant beveik jokia technika.
Iki šiol kalbėjome tik apie astronomijos žinias, kurios be abejo yra
įdomios patiems astronomams ir padeda giliau pažinti gamtą ir suprasti
vykstančius aplinkui reiškinius.
Deja, vien tik tuo astronomijos reikšmė toli gražu niekada neapsiribojo.
Šis žinojimas visada atnešdavo apčiuopiamą ir praktiniame gyvenime naudą.
Pirmoji, nuo senų senovės iš astronomijos žinių gaunama nauda yra galimybė
orientuotis keliaujant ar plaukiant laivu. Šiaurinė žvaigždė visada rodo
kryptį į šiaurę, o jos aukštis virš horizonto – nutolimą nuo poliaus ar
pusiaujo. Pagal Saulės ir Mėnulio padėtis kokiu nors laiko momentu savo
koordinates galima nustatyti dar tiksliau, žinoma, jei yra gerai suprastas
visų šių kūnų ir Žemės tarpusavio judėjimo pobūdis.
Antroji aktuali praktinio astronomijos žinių pritaikymo sritis yra galimybė
orientuotis ne tik erdvėje, bet ir laike. Tai yra kalendorius. Lotyniškai
šis žodis reiškia skolų knygą, kurioje kalendomis buvo vadinami procentų
mokėjimo terminai. Dar ir dabar įvairios tautos naudoja įvairius
kalendorius, užsilikusius dėl įvairių prietarų ir tradicijų. Žydų
ortodoksai, suskaičiavę pagal Senąjį testamentą, kada dievas sukūrė Žemę
(“tikslus” rezultatas mūsų kalendoriuje yra minus 3761 metai), nuo to
momento būtent ir skaičiuoja metus. Žymiai modernesnė buvo, o ir šiuo metu
yra, taip vadinama Saulės metų samprata, atsiradusi maždaug prieš keturis
tūkstančius metų Egipte. Ji paremta tuo, kad metai turi 365 dienas.
Paprastumo dėlei jie buvo dalijami į 12 mėnesių, kiekvienas kurių turėjo po
30 dienų, o penkios likę dienos metų gale būdavo išeiginės. Kodėl metai
būdavo dalinami į dvylika mėnesių? Yra keleta to skaičiaus aiškinimo
variantų, bet pats panašiausias yra tas, kad tai vis tik susiję su Mėnulio
fazių kaita, labai lengvai matoma iš Žemės. Tikriausiai, ne to suskirstymo
priežastis, o tik pasekmė yra ir dvylika Zodiako žvaigždynų.
Taigi, kuo blogas buvo Egiptiečių kalendorius, kad ilgainiui jį prireikė
pakeisti? Visų kalendorių atsiradimo priežastis, jų pranašumus ir trūkumus
lengviausiai galime suvokti išsiaiškinę vieno skaičiaus, lygaus 365.2422,
prasmę. Šis skaičius rodo, kiek parų, kiekviena po 24 valandas, reikia
Saulei praeiti per du artimiausiuosius pavasario lygiadienio taškus, tai
yra, kiek parų trunka Žemės pilna kelionė apie Saulę, vadinama metais.
Dabar jau nesunku išsiaiškinti, kuo blogas Egiptiečių kalendorius.
Skaičiuojant metus taip, kaip jie, kasmet lieka neįskaityta 0.2422 paros,
tai yra 5 valandos, 48 minutės ir 46 sekundės. Per keturis metus susikaupia
beveik para, o tiksliau sakant – 23 valandos, 15 minučių ir 4 sekundės. Jei
nieko nekoreguoti, ilgainiui Naujųjų metų diena iš žiemos gali persikelti į
vasarą ir taip toliau klajoti. Matyt, tai kažkiek trikdė, ir ilgainiui
pribrendo reikalas ką nors daryti. Alternatyvos korekcijai buvo bent jau
dvi – pirmiausia, jie kas ketveri metai galėdavo pridėti dar po vieną
išeiginę dieną, tai yra vietoje penkių turėti šešias atostogų dienas metų
gale, ir ta problema būtų buvusi beveik išspręsta. Antroji alternatyva,
kurią Julijaus Cezario palieptas realizavo astronomas Sozigenas, buvo ta,
kuri galioja ir dabar, kai kas ketveri metai prie vasario mėnesio pridedama
viena diena, ir jie tampa keliamaisiais. Sozigenas Cezario pavedimą atliko
itin kruopščiai. Pirmiausia jis metus suskaičiavo nuo Romos įkūrimo, tai
yra nuo minus 753-ųjų metų. Kadangi reforma buvo įvesta minus 46-aisiais
metais, pasirodė, kad senoviškai skaičiuojant metus “pražiopsota” beveik 90
dienų, kurios ir buvo pridėtos prie reformos metų. Taigi, minus 46-ieji
metai turėjo 445 dienas, bet pagaliau viskas susitvarkė. Krikščionių
bažnyčia priėmė šį kalendorių 325 metais.
Ar tikrai viskas?
Ne, nes taip skaičiuojant kiekvieni metai tampa lygūs 365.25 paros, tai yra
kiek daugiau negu reikia. Kasmet šis paskubėjimas sudaro 11 minučių ir 14
sekundžių, tai yra per tuos ketverius metus susikaupia ne tiek jau mažai –
44 minutės ir 56 sekundės. Per keturis šimtus metų tai sudaro maždaug tris
dienas. Tiek tie keturi šimtai metų turi sutrumpėti. Sprendimą surado vėlgi
astronomai, bet kadangi tai buvo popiežiaus Grigaliaus XIII valdymo metais,
visi reformos nuopelnai, kaip įprasta, buvo priskirti jam. Ta reforma,
vadinamasis Grigaliaus kalendorius, buvo priimta 1582 metais. Jos esmė ta,
kad keliamaisiais iš visų metų, kurių numeris baigiasi dviem nuliais, buvo
palikti tik tie, kurių numeris dalijasi be liekanos iš 400. Tai reiškė,
pavyzdžiui, kad 1700-ieji, 1800-ieji ir 1900-ieji metai nebuvo keliamieji,
o 2000-ieji jau buvo tokie. Čia vėl neapsieita be korekcijų, kadangi nuo
325-ųjų iki 1582-ųjų metų susikaupė dešimties dienų paklaida, kurią buvo
nutarta kompensuoti. Reformos įvedimo metais po spalio penktosios dienos
ėjo spalio penkioliktoji.
Lietuvoje Grigaliaus kalendorius priimtas nuo 1586, o Rusijoje – tik nuo
1918 metų, todėl susikaupęs skirtumas dabar sudaro trylika parų. Iki tos
reformos Kauno senamiestyje ir dabar esantis Vytauto Didžiojo tiltas per
Nemuną buvo pats “ilgiausias” pasaulyje, nes jį pervažiavus reikėdavo prie
datos pridėti arba iš jos atimti beveik dvi savaites. Tai atsispindi dar ir
dabartinėse rusiškose tradicijose švęsti Kalėdas dviem savaitėmis vėliau,
nei pas mus. Tradicija pernešama ir į Naujuosius metus, taigi kai kurie
rusai turi progą sausio tryliktąją sutikti dar ir taip vadinamus “senuosius
naujuosius metus”.
Po Grigaliaus reformos metai tapo lygūs 365.2425 paros. Tai vis dar ne
reikiamas anksčiau paminėtas tikslus skaičius, bet vienos dienos paklaida
dabar jau susikaupia tik po 3280 metų, ir ją kompensuoti nėra aktualu,
todėl niekas dar tos problemos net nebando spręsti.

Klausimai

1. Kam reikalingi keliamieji metai?

2. Ar šie metai yra keliamieji? Kodėl?

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

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

5. Kaip paprastai išmatuoti Žemės spindulį?

6. Kaip nustatyti upės plotį per ją nebrendant?

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

8. Kaip nustatyti Saulės, Mėnulio ar kokios planetos diametrą, jei

žinomas atstumas iki jos?

8. Šviesa, materija ir energija

Šviesa visada buvo ir dabar dar yra pagrindinis informacijos nešėjas
Visatoje. Kaip žinote, ji yra ne vieniša – šviesos greičiu juda bei
informaciją perduoda taip pat ir kitos elektromagnetinės bangos, kurios nuo
matomosios šviesos skiriasi tik dažniu. Tai yra ir radijo bangos, ir
infraraudonieji, ir ultravioletiniai, ir rentgeno bei gama spinduliai.
Pav. 8.1. Elektromagnetinių bangų ilgiai.
Mažą plotelį šiame “meniu” užima matomieji spinduliai, tačiau jų vertė
neįkainojama, nes juos galima pamatyti akimi. Kitų bangų fiksavimui
reikalinga speciali aparatūra. Tiksliau pasakius, jeigu elektromagnetinė
banga nematoma akimi, tai dar nereiškia, kad jos nefiksuoja kiti organai.
Žinome, pavyzdžiui, kad veikiant ultravioletiniam spinduliavimui, oda
paruduoja, infraraudonosios bangos jaučiamos kaip šiluma, ilgalaikis
buvimas intensyviame radijo bangų lauke, nors tiesiogiai nejaučiamas,
ilgainiui gali tapti kenksmingas sveikatai. Galų gale visi turbūt
girdėjote, kokį pražūtingą poveikį buvusiems Černobilyje iš karto po
atominės elektrinės avarijos 1986 metais padarė gautos didelės gama
spinduliavimo dozės. Drąsiai galima pasakyti, kad žmogaus kūnas vienaip ar
kitaip reaguoja į labai plataus palyginus su matoma šviesa diapazono
elektromagnetines bangas. Problema yra tik tame, kad netgi jautriausias
organas – akis – fiksuoja tik labai nedaug ir tik matomos šviesos savybių.
Tai yra tik jos intensyvumas (šviesa ryški ar ne) ir dažnis (mėlyna,
geltona ar kitokia spalva). Visa kita informacija, nešama šviesos, akimi
neužfiksuojama, tuo tarpu aparatais stebint šviesą galima nustatyti ne tik
ją išspinduliavusio kūno sudėtį ir dar kai kurias kitas savybes, bet ir
sužinoti kai ką apie aplinką, kuria šviesa sklido prieš pasiekdama imtuvą.
Kitų dažnių elektromagnetiniai spinduliai tokios informacijos neša dar
daugiau. Įsivaizduokite tik, kiek garsų girdite įjungę radio aparatą arba
kiek vaizdų matote televizoriaus ekrane. Visa tai perneša elektromagnetinės
bangos, išspinduliuotos žmogaus protu ir rankomis sukurtų aparatų.
Žmonės labai seniai domisi, kas gi yra ta šviesa, iš kur ji atsiranda ir
kodėl matome daiktus. Hipokratas ir Aristotelis buvo suformulavę požiūrį,
kad akis pati spinduliuoja kažkokius spindulių pluoštelius, kuriais mes
tarsi liečiame daiktus ir todėl juos matome. Galima įsivaizduoti, kad jei
jie būtų nusprendę daryti kokius nors eksperimentus, būtų tekę tyrinėti,
kokie spinduliai eina iš akių. Gal būt, tokiu atveju jie greitai būtų
supratę, kad ne akis, o matomi daiktai spinduliuoja šviesą, tačiau
eksperimentai jų metodologijoje nebuvo numatyti. Visas graikų “žinias”
apie regėjimą buvo susumavęs toks Galenas, gyvenęs antrajame amžiuje, ir
tos idėjos gyvavo apie 15 amžių, panašiai kaip ir Ptolemėjaus sferų
sistema. Galeno teorija buvo jau žymiai moksliškesnė ta prasme, kad buvo
aiškinama tų spindulių kilmė. Buvo teigiama, kad jie gaminami smegenyse, po
to optiniu nervu pasiekia akį, kur paverčiami “matymo dvasia”. Akies lęšis
buvo reikalingas tam galutiniam produktui pasiųsti į išorę. Norint galima
išsamprotauti, kad tai yra pirmasis radaro aprašymas, o tuo pačiu ir jo
išradimas.
Leonardo da Vinči tik kiek modifikavo šį požiūrį, įvesdamas dar ir
spindulius, atsispindėjusius nuo daiktų. Tik Kepleris ir Dekartas, suvokę,
kaip lęšiuose formuojasi vaizdai, suprato, kad panašų vaidmenį gali
vaidinti ir akies lęšiukas, projektuodamas matomų daiktų atvaizdus į
raginę. Teisingą požiūrį į šviesą ir matymą suformulavo galų gale tik
fizikai Niutonas ir Hiuigensas, eksperimentavę su tiriamais objektais.
Pasirodė, kad matymas paremtas kažko tai persiuntimu nuo daikto į akį. Nors
abu jie daugiau domėjosi to “kažko”, tai yra šviesos, savybėmis, Niutonas
vis tik drįso susamprotauti, kad daiktai neturi spalvų – jos atsiranda tik
paties proceso, tai yra matymo, metu. Būtent Niutonui pirmajam ir atrodė,
kad šviesą sudaro kažkokių dalelių srautas, tuo tarpu Hiuigensas
neabejotinai įrodė, kad šviesa – tai bangos, turinčios charakteringą ilgį,
dažnį ir kitas bangų charakteristikas. Vienintelė problema buvo tik ta, kad
bangoms plisti reikalinga tam tikra aplinka, o tai, kad mes matome
žvaigždes, reiškia, kad šviesos bangos gali plisti ir ten, kur jokios
aplinkos nėra, tai yra vakuume. Niutono požiūris tą problemą apeina, bet
atsiranda daug kitų. Visai neaišku, kaip dalelių srautas gali turėti bangų
savybes, tokias kaip dažnis, bangos ilgis, interferencija, difrakcija ir
panašiai, kurias neabejotinai turi šviesa.
Šiuo metu yra vienareikšmiškai eksperimentiškai ir teoriškai nustatyta, kad
šviesa ir visos kitos elektromagnetinės bangos yra ne kas kita kaip vienų
paslaptingiausių elementariųjų dalelių – fotonų – srautai. Fotonas
egzistuoja tik judėdamas, nes parimusio fotono masė lygi nuliui ir jo
aptikti neįmanoma. Juda fotonas tik šviesos, o ne kokiu nors kitokiu
greičiu. Fotonai yra labai skirtingi. Nors fotono savybės apibrėžiamos tik
vienu pagrindiniu parametru – dažniu, tačiau šio parametro kitimo
diapazonas yra nepaprastai platus, praktiškai begalinis, ir tai sąlygoja jų
įvairovę. Kitos fotono charakteristikos – energija ir bangos ilgis – yra
išreiškiamos per jo dažnį Planko formulėmis

E = h ( ir ( = c / ( , todėl

E = h c / ( .

Čia h = 6.63 · 10 -34 J·s yra Planko konstanta, o c = 3 · 10 8 m / s –
šviesos greitis. Paskutinioji formulė pati patogiausia, nes bangos ilgį,
matuojamą metrais arba metro dalimis, lengviausia įsivaizduoti ir suvokti.
Paminėsiu tik, kad matomosios šviesos fotonų dažniai yra apie 1014 Hz, o
bangos ilgiai sudaro nuo 400 iki 700 nm, tai yra nanometrų – milijardinių
( lygių 10-9 ) metro dalių. Trumpiausių, o tuo pačiu galingiausių gama
spindulių bangų ilgiai gali būti lygūs 10-16 ir mažiau metrų, o ilgiausių –
ilgųjų radijo bangų – būti lygūs tūkstančiams ar netgi milijonams metrų.
Koks fotonų ryšys su bangomis, iš kur jie atsiranda ir kur pradingsta,
pakliuvę, tarkime, į akį – štai klausimai, į kuriuos reikia atsakyti prieš
kalbant apie pasiekiančius mus Visatos spindulius ir jų atnešamą
informaciją.
Tarkime, turime kokios nors energijos (bangos ilgio) fotoną. Kol jis
skrieja vakuume, tikimybė susidurti su kokiu nors atomu labai maža, nes
tarpžvaigždinėje erdvėje, kaip matėme, atomų tankis labai mažas. Vis tik,
nors atomų tankis mažas, iš milžiniško kiekio fotonų, kuriuos kas sekundę
spinduliuoja deganti žvaigždė, vienas kitas su tokiu atomu pakeliui į Žemę
vis tik susiduria. Tai dar nieko nereiškia – konkretus atomas sugeria ne
bet kokius fotonus, o tik turinčius tam tikras, tam atomui tinkamas,
energijas. Turbūt visi puikiai žinote, kad nudegti saulėje sėdint už uždaro
lango neįmanoma, nes stiklas, permatomas regimiesiems spinduliams, sugeria
ultravioletinius. Šiuo reiškiniu yra naudojamasi šildant maistą mikrobangų
krosnelėje. Kaip tik mikrobangas gerai sugeria vandens, esančio maiste,
molekulės, gi kai kurios kitos medžiagos (išskyrus metalus), iš kurių ir
gaminami specialūs toms krosnelėms skirti indai, joms yra permatomos.
Trumpai tariant, jei fotono energija pasirodo per maža sužadinti atomus, ta
aplinka jam tampa permatoma, tai yra jis juda joje lyg tai aplinkui nieko
nebūtų.
Tarkime, tiko ir energija. Tokiu atveju tas fotonas pražūva. Tai neturėtų
būti keista, nes to fotono kaip ir nebuvo, kadangi jo rimties masė visada,
nepriklausomai nuo energijos, lygi nuliui. Lieka iš fotono tik jo nešta
energija, – ji niekur dingti negali, todėl perduodama tam atomui. Priimta
sakyti, kad tokiu atveju atomas susižadina. Atomo energija, kaip matėme,
negali padidėti bet kaip, tai yra susižadinti nuo bet kokios mažos
energijos fotono jis negali. Galimi tik šuoliai į tam tikras sužadintas
būsenas.
Pav. 8.2. Atomo sužadintų būsenų schema ir atitinkamas spektras.
Tokių sužadintų būsenų kiekvienas atomas turi daug. Sugėręs fotoną atomas
peršoka į vieną tų būsenų, tai vadinasi jo absorbciniu spektru. Grįždamas
po kiek laiko į žemesnę būseną jis gali išspinduliuoti fotoną, taip
atsiranda emisinis to atomo spektras. Skirtingų atomų spektrai yra
skirtingi. Juos galima registruoti specialiais aparatais – spektroskopais
arba teoriškai apskaičiuoti, naudojantis kvantine mechanika. Neutralaus
atomo spektro energijos turi viršutinę ribą, tai yra jis tarsi pasibaigia
prie tam tikros energijos. Fotonai, kurių energijos kiek didesnės už šią,
susidūrę su tokiu atomu, gali taip jį sužadinti, kad iš jo išlekia
elektronas, ir atomas tampa jonu, kurio spektras visiškai skiriasi nuo
pradinio atomo spektro. Dar keliant fotono energiją galima pasiekti ribą,
kai išplėšiamas antras elektronas (gauname du kart jonizuotą atomą) ir taip
toliau, kol prie branduolio iš viso nelieka elektronų. Plėšiant vidinius
elektronus, jau reikalingi Rentgeno spinduliai. Dar didesnės energijos
fotonai, vadinami gama kvantai, jau geba žadinti atomo branduolį. Atomų
terpė jiems vėl, kaip ir itin žemų energijų fotonams, paprasčiausiai
permatoma.
Grįžkime prie normalių atvejų. Susižadinęs atomas ilgai neišbūna. Maždaug
po vienos milijardinės sekundės dalies jis turi kam nors tą sužadinimo
energiją perduoti. Jei šalia yra daug kitokių atomų, energija jiems
susidūrinėjant gali pasiskirstyti ir pavirsti kinetine jų energija, tai yra
padidinti jų judėjimo greitį. Atomų arba molekulių judėjimo greitis
proporcingas jų temperatūrai, todėl aprašytas procesas yra paprasčiausias
apšviestos medžiagos šilimas. Dėl tokių procesų dieną palyginus su naktimi
pakyla oro ir vandens temperatūra, ištirpsta ledai ir gali vykti potvyniai,
kuriems Mėnulis įtakos neturi.
Jei atmosferoje ir vandenyje vyktų tik tokie procesai, jie būtų
nepermatomi, ir jokių žvaigždžių akimi nematytume. Vaizdas būtų panašus
kaip gyvenant kambaryje be langų. Gelbsti galimybė vykti dar ir kitokiems
procesams, kai retose arba turinčiose specialių savybių aplinkose
sužadintam atomui palankiau išspinduliuoti kitą fotoną, negu perduoti
sužadinimo energiją kaimynams. Tai daro medžiagą permatoma, nes fotonai
nėra sugeriami, o tik apsunkinamas jų kelias per tą medžiagą. Šio
apsunkinimo charakteristika yra jums pažįstamas tos skaidrios medžiagos
lūžio rodiklis, kuris didesnis už vienetą ir rodo šviesos greičio
sumažėjimą joje. Mikrodalelių pasaulyje, kurį puikiai aprašo kvantinė
mechanika, neuždrausti visi galimi procesai, todėl įmanomas ir atomo ar
molekulės susižadinimas nuo smūgių, tai yra nuo susidūrimų su energingais
kaimynais, sukeliantis ne kinetinės energijos padidėjimą, o fotono
išspinduliavimą. Šį procesą kiekvienas esate irgi matę – tai yra kaitinamo
metalo gabalo švytėjimas. Jei pastebėjote, iš pradžių, kol sudarančių jį
dalelių kinetinė energija yra nedidelė, jis tik parausta, toliau jai augant
pageltonuoja, pabala ir galų gale tampa melsvai baltu. Tai paaiškinama
labai paprastai – raudonųjų fotonų bangos ilgis didžiausias, o energija
mažiausia iš visų matomų, jiems spinduliuoti užtenka ir nelabai didelių
sužadinimo energijų, gi mėlynųjų, o tuo labiau violetinių, fotonų energijos
pačios didžiausios; sudėjus visus tuos spindulius į krūvą beveik vienodomis
proporcijomis gaunasi balta šviesa. Matomame diapazone beveik tokia yra
šviesos, atsklindančios iš Saulės, sudėtis. Žinoma, joje yra dar ir
visokiausių kitokių ilgių elektromagnetinių bangų, tai yra ir kitokių
energijų fotonų.
Elektromagnetinių bangų spektras labai turtingas, todėl bet kokiame kūne,
kurio temperatūra nelygi absoliutiniam nuliui, molekulės juda,
susidūrinėja, perduoda viena kitai energiją, o susižadinę, žiūrėk, ima ir
išspinduliuoja vieną kitą, kad ir mažos energijos, fotoną. Dėl šios
priežasties fotonus spinduliuoja visi mus supantys kūnai, tame tarpe ir
Žemė, ir mes patys. Tai yra vadinamasis šiluminis spinduliavimas. Kuo
karštesnis kūnas, tuo trumpesnių bangos ilgių, tai reiškia – didesnių
energijų – spindulius jis skleidžia. Tiksliau sakant, spinduliuojami
įvairių bangos ilgių spinduliai, bet intensyvumo maksimumas, atitinkantis
tam tikrą bangos ilgį, kylant kūno temperatūrai, slenkasi į trumpesnių
bangų sritį. Kad kūnas pradėtų spinduliuoti matomus spindulius, jo
temperatūra turi būti lygi keliems tūkstančiams laipsnių. Labai karštas
kūnas, toks kaip žvaigždė, sudarytas iš vandenilio ir nedidelės dalies kitų
elementų, spinduliuoja įvairiausių dažnių fotonus, kurie užkloja ir visą
matomos šviesos diapazoną. Praėjusi per disperguojančią aplinką tokia
šviesa išsiskleidžia į vaivorykštę, tai reiškia ji yra išdėstoma pagal
fotonų dažnius. Panašiai kaip Niutono prizmė, dirba ir šiuolaikiniai
spektroskopai, analizuojantys spektrinę, tai yra dažnuminę šviesos sudėtį.

Dabar jau turbūt supratote, kad pasiekusi mus šviesa gali labai daug ką
papasakoti. Pirma, jei sugebame užfiksuoti žvaigždės spinduliuojamas
elektromagnetinius spindulius pakankamai plačiame bangų ilgių diapazone,
suradę, kokį bangos ilgį atitinka pasiskirstymo maksimumas, galime rasti
žvaigždės arba kitokio stebimo objekto temperatūrą. Šios kreivės,
susiejančios spinduliuotės intensyvumą su jos bangos ilgiu, vadinamos
Planko kreivėmis. Įdomi jų savybė ta, kad jos, atitinkančios skirtingų
temperatūrų žvaigždes ar šiaip skleidžiančius spinduliuotę kūnus,
nesikerta. Tai reiškia, kad karštesnis objektas intensyviau už vėsesnįjį
spinduliuoja visų ilgių elektromagnetines bangas. Pasitikrinti šią
charakteristiką galime ir nefiksuodami labai plataus diapazono, o tiesiog
nustatę, kokių jonų spektrai matomi, kadangi kiekvieno atomo jonizavimui
reikalinga tam tikra fiksuota energija, taigi ir tam tikra lengvai su ja
susiejama temperatūra.
Pav. 8.3. Įvairių temperatūrų objektų spinduliuotės intensyvumo
priklausomybė nuo bangos ilgio (Planko kreivės).
Nuodugniau žvilgterėjus į šią šviesą, galima atrasti, kad ji yra ne
ištisinė, o sudalyta tamsaus absorbcijos linijų tinklo. Kadangi kiekvienas
atomas ar jonas turi savo specifinį, tik jam vienam būdingą, spektrinių
linijų išsidėstymą, galima nustatyti, iš kokių atomų sudaryta žvaigždės
branduolį supanti medžiaga, kurioje ta spinduliuotė yra gimusi. Panašius
“spektrus” jūs galite pamatyti netgi supermarkete, kadangi kiekviena prekė
turi savo brūkšninį kodą, pagal kurį kasos aparatas ją lengvai atpažįsta.
Ši idėja pasiskolinta iš fizikų, tyrinėjančių spektrus. Galų gale,
sklindanti nuo žvaigždės šviesa prieš patekdama į Žemę turi pereiti per
minėtus retus dujų debesis, kurių pilna Visatoje. Einant jai per tokią
aplinką tie fotonai, kurių dažniai tinkami, yra absorbuojami. Tai
pasireiškia kaip juodos absorbcijos linijos, atitinkančios dažnius tų
medžiagų, iš kurių susidaręs debesis. Šviesa, o tuo pačiu ir energija,
sugertos iš pradinio spindulio, pavirsta arba kinetine debesies dalelių
energija, arba kitais fotonais, kuriuos spinduliuoja jos sužadinti debesies
atomai. Retame debesyje antrasis procesas labiau tikėtinas, todėl gali
kilti klausimas, kodėl vis tik tos absorbcijos linijos atsiranda. Atsakymas
paprasčiausiai yra tas, kad jei pradinio spindulio fotonai juda viena
kryptimi, tai perspinduliuotieji plinta į visas puses, todėl pradine
kryptimi jų intensyvumas ir sumažėja.
Pav. 8.4. Tolydinis, emisijos ir absorbcijos linijų spektrai.
Galų gale, galima nustatyti, kokiu greičiu spinduliuojanti tą šviesą
žvaigždė ar galaktika juda Žemės atžvilgiu, nes dėl Doplerio efekto
spindulių šaltiniui ir imtuvui judant vienas kito atžvilgiu visos
spektrinės linijos pasislenka į ilgesniųjų arba trumpesniųjų bangų sritį.
Tas poslinkis visiems fotonams yra toks pat, kadangi galioja labai
paprastas ryšys tarp imtuvo ir šaltinio santykinio judėjimo greičio v bei
pradinio, žvaigždės išspinduliuoto, fotono bangos ilgio ( ir kritusio į
imtuvą to paties fotono bangos ilgio (‘ :

v / c = ((‘ – () / ( .

Jei šaltinis tolsta, jo greitis mūsų, tai yra stebėtojo, atžvilgiu yra
teigiamas, v > 0 , o jei artėja – neigiamas, v < 0 . Tai reiškia, kad
tolstančio šaltinio išspinduliuotų fotonų bangų ilgiai padidėja, tai yra
pasistumia į raudonųjų bangų pusę; todėl šis poslinkis vadinamas
raudonuoju. Artėjančio šaltinio bangų ilgiai sumažėja, todėl poslinkis
vadinamas mėlynuoju.
Būtent naudojantis šiuo efektu Edvinui Hablui pavyko ištirti Visatos
struktūrą ir aptikti, kad ji šiuo metu plečiasi.
Taigi, elektromagnetinės bangos neša labai daug informacijos, reikia tik
mokėti ją suprasti. Akimi tai padaryti neįmanoma, reikalingi specialūs
prietaisai. Jau kalbėjome, kokią revoliuciją tiriant Saulės sistemą
suvaidino Galilėjaus teleskopas. Dabar analogiški prietaisai yra labai
ištobulinti ir leidžia stebėti ypatingai tolimus, labai mažo ryškio
objektus. Dešimties centų monetos, esančios už dešimties kilometrų,
pamatymas tokiu prietaisu nesudaro jokių sunkumų. Problemos atsiranda
kitur. Pasirodo, matyti Visatos objektus labai trukdo atmosfera, kurioje
esantys dulkės, garai, dūmai, o taip pat judančios pačios dujų molekulės
iškraipo stebimąjį vaizdą. Dėl šių priežasčių observatorijos įrengiamos
žemyninio klimato zonose, kad dangus būtų apsiniaukęs kuo mažiau naktų per
metus. Kiek varijuoja šis rodiklis, galite spręsti iš to, kad kai kuriose
Žemės vietose per metus būna iki 300 giedrų naktų, o kai kuriose – iki 300
apsiniaukusių. Be to, observatorija turi būti įrengta kuo toliau nuo miestų
ir didelių pramonės objektų, nes miestuose, kur vyksta aktyvus gyvenimas,
yra daug šiluminės ir pramoninės taršos objektų – transporto priemonių,
visokių komunikacijų, gamyklų ir taip toliau. Ruro pramonės baseinas
Vokietijoje, aukštakrosnių kompleksai Ukrainoje ir Urale užteršia
didžiulius aplinkinius rajonus, ten observatorijos perspektyvų neturi.
Pav. 8.5. Žemės atmosferos permatomumas įvairioms elektromagnetinėms
bangoms.
Taigi, jau turbūt drasiai galima nuspręsti, kad idealios vietos antžeminėms
observatorijoms yra kalnuose, kur mažesnis atmosferos storis, mažiau
teršalų, šilumos ir šviesos šaltinių. Taip jau seniai pastebėta –
stambiausi teleskopai įrengiami kalnuose – Arizonos dykumoje, Čilėje ar
Havajuose. Dar geriau negu kalnuose teleskopai jaučiasi kosmose, kur
trukdžiai ir užteršimas yra visai nedideli. Tai jau ir padaryta. Nuo 1989
metų NASA eksploatuoja 2.4 metro diametro teleskopą, pavadintą aptikusio
Visatos plėtimąsi Edvino Hablo garbei jo vardu.
Naudojami teleskopai Visatą stebi jau seniai ne tik matomos šviesos, bet ir
praktiškai visuose kituose elektromagnetinių bangų diapazonuose. Akimi
žvaigždžių niekas nebestebi net per teleskopą, nes fotoplokštelėse ar
kituose registruojančiuose prietaisuose galima, padidinus ekspoziciją, per
ilgesnį laiką sukaupti pakankamai informacijos ir apie visai sunkiai
įžiūrimus objektus.
Apie tai, kas yra aptikta šiais moderniais ir protingais prietaisais,
pakalbėsime kitose paskaitose.
Taigi, šviesa atneša informaciją ir apie tai, iš ko sudaryta Visata, nes
kiekvienas elementas turi savo “pirštų antspaudus” ir yra nesunkiai
atpažįstamas. Ne kartą yra buvę taip, kad atrodė, jog pamatytas kažkoks
nežinomas elementas ar junginys, nes jo spektras neatitikdavo jokių žinomų
elementų spektrų. Deja, ilgainiui pasirodydavo, kad tiesiog tai yra kas
nors iš žinomų, tačiau esantis tokiose sąlygose, kurių nėra arba netgi
visai neįmanoma dirbtinai sukurti Žemėje. Maždaug prieš dvidešimt ar kiek
daugiau metų, kai dirbtiniuose Žemės palydovuose buvo įtaisyti
spektroskopai, leidę stebėti Visatą tolimojo ultravioleto ir rentgeno
spindulių diapazonuose, pasirodė, kad užregistruoti sudėtingi ir
nepažįstami spektrai yra daug kartų jonizuotų žinomų elementų spektrai.
Tokie elementai kosmose “pagaminami”, kadangi normaliam atomui atsidūrus
energingo spinduliavimo lauke nuo jo “nuplėšiama” daug elektronų ir jis
tampa iš pirmo žvilgsnio neatpažįstamu. Norint sukurti tokias sąlygas
Žemėje, reikia labai pasistengti. Tai ne tik brangiai kainuoja, bet ir
reikalauja unikalios įrangos. Kosmose sąlygų įvairovė yra tiesiog
stulbinanti ir materija egzistuoja visose įmanomose formose, tame tarpe ir
pačiose egzotiškiausiose.
Pabandykime prisiminti, iš ko viskas aplink padaryta, kaip visa tai gali
pasikeisti kintant išorinėms sąlygoms, koks yra šiuolaikinis požiūris į
materijos struktūrą. Kaip žinome, bendras mokslo bruožas yra tas, kad visos
be išimčių žinios negali būti sustabarėję, o nuolatos keičiasi, tačiau tie
pasikeitimai, pasiekus tam tikrą lygį, yra pastebimi tik kvalifikuotam
specialistui. Kalbėsiu būtent apie tą lygį, kuris pakankamai rafinuotas,
bet kartu ir ne per lėkštas. Vargu ar tie teiginiai, patikrinti ir
pripažinti XX amžiuje, ženkliai pasikeis per kelis artimiausius
dešimtmečius.
Taigi, mums pilnai pakaks tų žinių, kad Visata sudaryta iš materijos,
kurios pagrindiniai struktūriniai elementai yra protonai, neutronai ir
elektronai, o taip pat jau pažįstamas fotonas, kuris efektyviausiai perneša
ne tik sąveikas tarp šių dalelių, bet ir informaciją. Gravitacinę saveiką
tarp bet kokių dviejų masių perneša gravitonai, tačiau jie netgi neaptikti
eksperimentiškai ir šiandien, kalbant apie smulkiausias materijos daleles,
mums neaktualūs, nes ši sąveika palyginus su kitomis, – elektromagnetine ir
stipriąja, nevaidina beveik jokios rolės susidarant atomų branduoliams,
atomams ir molekulėms, taigi tuo pačiu ir visoms supančių mus dujinių,
skystųjų ir kietųjų kūnų dalelėms. Atomus kuria elektromagnetinė sąveika,
pernešama tų pačių fotonų. Paprasčiausia jos išraiška yra Kulono dėsnis,
nusakantis jėgą, kuria vienas kitą veikia du krūviai. Stipriąją sąveiką,
suklijuojančią iš protonų ir neutronų atomų branduolius, perneša įvairiausi
mezonai – pi, ro, omega ir kiti. Jų mums nereikės, užtenka žinoti, ką ir
kaip jie padaro. Galų gale, protonai ir neutronai patys yra padaryti iš
kvarkų, tačiau ir tai atidėkime į šalį. Kai girdite apie daugybę kitokių
elementariųjų dalelių, tai yra ne kas kita, kaip tik ypatingoms sąlygoms
esant kosmose arba laboratorijose egzistuojantys labai trumpai gyvuojantys
egzotiški objektai, beveik neįtakojantys materijos savybių. Taigi,
apsistosime prie trijų pagrindinių dalelių, nes fotonas jau pažįstamas.
Esminis materijos struktūros elementas yra atomų branduoliai. Kaip žinote,
jie sudaryti iš protonų ir neutronų veikiant stipriąjai sąveikai. Abi
dalelės labai panašios, jos skiriasi tik krūviu, todėl apibendrintai
vadinamos nukleonais. Pirmasis paradoksas yra būtent tame, kad ši sąveika
vadinama stipriąja. Energijos masteliai, palyginus su atominiais, čia yra,
aišku, milijoną kartų didesni, tačiau dviejų neutronų arba dviejų protonų į
krūvą ji “suklijuoti” negali, o protonas su neutronu “sulimpa” tik labai
specifiniu būdu, sudarydami taip vadinamą deuteroną, sunkiajame vandenyje
pakeičiantį vandenilį. Deuteronas nėra labai patvarus – pasitaikius progai
jis tuoj pat atgal subyra į neutroną ir protoną. Iš trijų nukleonų galima
padaryti tik du branduolius – tritoną (du neutronai plius vienas protonas)
ir helioną (neutronas plius du protonai), kurie kiek patvaresni už
deuteroną, bet neturi jokių sužadintų būsenų, o žadinant vėlgi iš karto
skyla į dalis. Iš keturių nukleonų susidaro tik vienas (du neutronai plius
du protonai), bet užtai ypatingai patvarus, helio-4 branduolys, dar
vadinamas alfa-dalele. Šis branduolys savo matmenimis yra mažesnis už
minėtus trijų, o tuo labiau dviejų nukleonų branduolius. Alfa dalelė tokia
patvari, kad prie jos netgi penktasis nukleonas negali “prilipti”. Taigi,
stabilių penkių nukleonų branduolių gamtoje nėra iš viso. Nuo šešių
nukleonų jau prasideda daugmaž normalūs branduoliai, nors dar nėra ir
stabilių branduolių, sudarytų iš aštuonių nukleonų.
Pav. 8.6. Lengviausiųjų branduolių stabilumo takas. Stabilūs branduoliai
pažymėti pilkai.
Visa atomo branduolio energija yra neigiamas dydis, charakterizuojantis to
branduolio stabilumą. Norint suskaldyti tą branduolį į atskirus nukleonus
reikalinga kaip tik tokia energija, bet su priešingu ženklu, tai yra
teigiama. Ji vadinama atomo branduolio ryšio energija. Padalinta iš
nukleonų skaičiaus ji kaip tik ir lygi ryšio energijai vienam nukleonui,
charakterizuojančiai jų sulipimą branduolyje. Kuo ji didesnė, tuo stipriau
surišti branduolyje nukleonai, tuo sunkiau tokį branduolį suardyti.
Priešingo ženklo, tai yra neigiamas dydis, yra energija, tenkanti vienam
nukleonui tame branduolyje. Jeigu pabandytume pasižiūrėti, kaip šis
parametras kinta augant nukleonų skaičiui, tai pamatytume, kad jis turi
išsiskiriantį minimumą jau minėtai alfa – dalelei, po to staigiai išauga ir
toliau po truputį krenta iki geležies – nikelio, o po to vėl monotoniškai
auga. To branduolių slėnio dauboje randasi stabiliausi Visatoje geležies
branduoliai. Norint gauti iš atomų branduolių kokios nors energijos, reikia
leistis gilyn į tą slėnį, tai reiškia – arba iš silpniau surištų lengvųjų
branduolių gaminti labiau surištus (tai vadinasi branduoline sinteze,
tokios reakcijos vyksta sprogstant branduolinei bombai, lėtai jų atlikti
tokiais kiekiais, kad tai galėtų duoti praktinę naudą, dar niekam
nepavyko), arba mažiau surištus sunkiuosius skaldyti į stipriau surištus
lengvesnius branduolius (tai yra reakcijos, kurios vyksta greitai
sprogstant dabar nebemadingai atominei bombai, arba lėtai degant
branduoliniam kurui atominėse elektrinėse), nes tik taip galima
atpalaiduoti juose sukauptą energiją. Augant nukleonų skaičiui
branduoliuose, sunkesniuose už geležį, jie darosi vis mažiau ir mažiau
stabilūs. Taip atsitinka todėl, kad stiprioji sąveika yra trumpo veikimo
sąveika. Taigi, dideliame branduolyje, panašiai kaip skysčio laše, tampriau
susiję yra tik esantys šalia vienas kito nukleonai, ir kai jų labai daug,
atsiranda polinkis tam branduoliui klasterizuotis, tai yra suskilti į
mažesnes, bet labiau surištas dalis. Dėl šių priežasčių stabilių branduolių
takelis iš viso nutrūksta. Daugiau ar mažiau stabilių izotopų yra apie
tūkstantį. Paskutinis stabilus branduolys yra urano izotopas, turintis 238
nukleonus.
Pav. 8.7. Branduolių slėnis.
Taigi, tūkstantis beveik stabilių branduolių. Tuo tarpu žvilgtelėję į
periodinę lentelę matome tik apie šimtą elementų. Kodėl? Priežastis yra ta,
kad cheminį elementą, tai yra atomo elgesį žemose energijose, kurios
būdingos cheminėms reakcijoms, apsprendžia visiškai ne jo branduolys, o
besisukantys apie jį elektronai, ir tai dar ne visi, o tik patys išoriniai.
Kiek elektronų gali apie kokį nors branduolį suktis, nusako ne bendras
nukleonų skaičius jame, o tik tai, kiek tarp jų yra protonų. Kaip nesunku
suprasti iš pateikto lengvųjų branduolių stabilumo tako, nėra jokio
branduolio, sudaryto vien tik iš protonų, protonai visi turi vienodą krūvį
ir stumiasi vienas nuo kito. Nors stiprioji sąveika juos ir bando
suklijuoti, susidaryti stabiliam branduoliui būtina, kad jame būtų dar ir
neutronų. Tam tikro elemento izotopai būtent ir yra branduoliai, turintys
fiksuotą protonų (žymima raide Z), bet skirtingą neutronų (N) skaičių. Prie
visų tokių branduolių normaliomis sąlygomis tuoj pat atsiranda būtent Z
elektronų, kad susidariusios sistemos (atomo) krūvis būtų lygus nuliui.
Beveik kiekvienas elementas turi po kelis izotopus. Jų cheminės savybės
visiškai vienodos, nes jie skiriasi tik esančių branduolyje neutronų
skaičiumi. Pavyzdžiui, kalcis, kurio pilna mūsų kauluose, turi šešis
stabilius ir dar vienuolika radioaktyvių izotopų. Radioaktyvūs yra tie
izotopai, kurių branduoliai po ilgesnio ar trumpesnio laiko skyla į dalis.
Skilimo metu elektronai irgi lengvai persiskirsto taip pat į dvi
analogiškas dalis. Kaule nelieka kalcio, o tai nėra labai gerai.
Normaliomis sąlygomis tokių radioaktyvių atomų yra nedaug, ir jei vienas
kitas suskyla, tai žmogui nieko neatsitinka. Avarijos, tokios kaip įvykusi
Černobylyje, metu atmosferoje atsiranda daug radioaktyvių izotopų. Jeigu jų
neįkvėpėte, tai iškritusius ant žemės juos įsisavina augalai, po to –
gyvuliai, dar po to su pienu ar mėsa galų gale ir žmonės. Kadangi bet koks
gyvas organizmas linkęs nuolatos atsinaujinti, gyvenant tokiomis sąlygomis
įprastiniai, tai yra turintys stabilius branduolius, organizme esantys
atomai greitai pasikeičia radioaktyviais, kurie galų gale patys savaime dėl
radioaktyvaus skilimo dingsta beveik be pėdsakų. Iš čia ir kyla visos
problemos.
Kodėl chemines elementų savybes apsprendžia tik elektronai? Čia priežastys
bent jau dvi. Pirmiausia, branduolys yra labai mažas palyginus su atomu,
jis yra tarsi labai gerai suvyniotas į elektronų apvalkalą. Jei paimtumėte
ir tušinuku nusipieštumėte savo sąsiuviniuose 1 mm diametro taškelį ir
įsivaizduotumėte, kad tokio dydžio yra atomo branduolys, tai atomas būtų ne
mažesnis už keturių aukštų namą. Šitų mastelių netgi neįmanoma pavaizduoti
kokiame nors paveiksle, kuris telpa į šį lapą. Tuo tarpu būtent branduolyje
yra sukoncentruota beveik visa atomo masė, nes kiekvienas protonas, kaip ir
neutronas, yra apie 2000 kartų masyvesnis už elektroną. Tai panašu į Saulės
sistemą, jei branduolį įsivaizduotume kaip Saulę, o elektronus – kaip
planetas, nors yra ir esminių skirtingumų. Manau, jūs patys juos lengvai
galite išvardinti. Antroji priežastis yra ta, kad tose temperatūrose,
kuriose mes gyvename ir kuriose pasireiškia būtent cheminės elementų
savybės, energijos nepakanka niekam kitam, o tik kiek “pakutenti” tuos
elektronus. ir tai ne visus, o tik silpniausiai prie branduolio pririštus,
tai yra išorinius. Būtent išoriniai elektronai atsakingi už visą chemiją,
tai yra neorganinių, o taip pat ir organinių molekulių, iš kurių sudaryta
visa gyvoji gamta, susidarymą. Kokia šių darinių įvairovė, galime spręsti
iš tokių pavyzdžių. Pratęskime mintį apie branduolį kaip taškelį ir atomą
kaip namą. Virusas tokiu atveju būtų darinys apie 5 km diametro,
tarpžvaigždinių dulkių dalelė – apie 50 km, bakterija – dar du kartus
didesnė. Lastelė būtų apie 500 km diametro dalykėlis, o kuris nors iš mūsų
vos tilptų atstume nuo Žemės iki Saulės.
Šildydami maistą ar važiuodami automobiliu mes naudojamės cheminių reakcijų
savybėmis išskirti energiją. Panašiai kaip aptartose branduolių skilimo
arba sintezės reakcijose čia irgi iš mažiau surištų objektų susidarant
labiau surištiems didėja produktų kinetinė energija, tai yra temperatūra.
Nuostabu yra dar ir tai, kad dauguma šių reakcijų vyksta savaime. Atsukate
dujų čiaupą, uždegate degtuką, ir jeigu tik bus tiekiamos, jos gali degti
metų metus.
Pav. 8.8. Periodinė elementų lentelė. Joje pavadinimai elementų, kurie
normaliomis sąlygomis yra dujos, pavaizduoti raudonai, esantys skysčiais –
žaliai, o esantys kietais kūnais – juodai.
Gyvename mes iš tiesų prabangiose sąlygose, tai yra 273 plius minus 50
laipsnių Kelvino temperatūroje. Pažvelkite pro langą – aplinkui pilna garų,
dujų, skysčių ir kietų kūnų. Ne tiek jau daug reikia apsirengti ir
pavalgyti, kad užtektų energijos palaikyti pastovią kūno temperatūrą, kaip
tik tokią, kurios reikia vykti savaiminėms suvalgyto maisto – monosacharidų
– oksidacijos reakcijoms, teikiančioms energiją visiems organams ir
palaikančioms tokią kūno temperatūrą, kurioje ištirpsta riebalai, lengvai
juda raumenys, gyslomis teka kraujas ir sklandžiai dirba superkompiuteris –
mūsų smegenys. Dabar prisiminkite, kiek problemų atsiranda žiemą,
temperatūrai nukritus tik 10-20 laipsnių. Vanduo užšala, reikia šilčiau
rengtis ir šildyti patalpas. Kas gi būtų, jei temperatūra dar labiau
nukristų – tarkime, iki minus 200 laipsnių Celsijaus? Užšaltų ir sukietėtų
ne tik vanduo, bet ir dauguma kitų elementų, netgi tie, kurie normaliomis
sąlygomis yra dujos. Prisimenate, kas darosi Plutone jam tolstant nuo
Saulės? Čia irgi būtų ne ką geriau. Dabar pagalvokime, kas atsitiktų
pakilus temperatūrai keliais tūkstančiais laipsnių. Molekulės suskiltų,
beveik visos medžiagos, kurios normaliai yra kietos, suskystėtų, o kai
kurios ir išgaruotų. Visatoje ir žemos, ir aukštos temperatūros yra
įprastas dalykas, todėl tokia didelė ir stebimų spektrų įvairovė, nes
kylant temperatūrai ir medžiagoms pereinant iš vienų agregatinių būvių į
kitus jų fizikinės savybės labai keičiasi.
Dar labiau keliant temperatūrą chemija, o tuo pačiu ir visa organika
pasibaigia – nuo atomų pradeda atitrūkti elektronai – iš pradžių vienas, po
to antras, ir taip toliau iki susidarant pilnai jonizuotai plazmai, kai
branduoliai dėl didžiulės kinetinės energijos nebegali nulaikyti elektronų.
Tokiu atveju jokios struktūros nebesusidaro, elektronai nebetrukdo
pasireikšti branduoliams, kurie gali laisvai daužytis ir reaguoti. Tokie
procesai vyksta žvaigždėse, jų metu kaip tik ir išsiskiria ta energija,
kuri užtikrina minėtą mūsų komfortą.
Kiekvieną iš minėtų materijos būvių, atsirandančių kylant temperatūrai, tai
yra:
1. Kietą kūną su beveik nejudančiais jonais gardelės mazguose,
2. Skystį, kuriame neutralios, susigrąžinę elektronus molekulės gali beveik
laisvai judėti viena kitos atžvilgiu,
3. Dujas, kuriose tos molekulės dar laisvesnės,
4. Aukštų temperatūrų, kai molekulės jau suirę, atomines dujas.
5. Įvairių jonizacijos laipsnių dujas,
6. Pilnai jonizuotas dujas, kuriose atomai suskilę į laisvus elektronus ir
branduolius,
7. Dar aukštesnes temperatūras, kai tampa galimos lengvųjų branduolių
sintezės reakcijos,
atitinka specifiniai spektrai ir atitinkamų energijų fotonai, kurie pasiekę
mus ir išduoda, iš kur atvykę.

Klausimai

1. Elektromagnetinių spindulių rūšys?

2. Kam lygus šviesos greitis?

3. Mažiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

4. Didžiausio bangos ilgio elektromagnetinės bangos?

5. Kokių elektromagnetinio spinduliavimo charakteristikų ryšį nusako

Planko kreivė?

6. Kokioms elektromagnetinių spindulių spektro sritims yra permatoma

Žemės atmosfera?

7. Kokios spalvos fotonų energija yra pati didžiausia?

8. Kokios spalvos fotonų energija yra pati mažiausia?

9. Kas tai yra Doplerio reiškinys?

10. Kur geriausia įrengti teleskopą?

11. Sąveika, rišanti atomus į molekules?

12. Sąveika, rišanti planetas ir žvaigždes į grupes?

13. Kokių atomų Visatoje daugiausia?

14. Elementariosios dalelės, iš kurių sudaryti atomų branduoliai.

15. Jei neutralus atomas turi Z elektronų, tai kiek neutronų ir kiek

protonų gali būti jo branduolyje?

16. Jei atomo branduolys būtų tokio dydžio, kaip milimetro diametro

taškas, tai kokio dydžio būtų atomas?

17. Du pagrindiniai būdai atomo branduolio sukauptai energijai

atpalaiduoti?

9. Žvaigždžių paradas

Nuomonės, kad matoma naktį gausybė žvaigždžių iš vienos pusės, ir dieną
šviečianti Saulė negali turėti nieko bendro, laikėsi ir beveik visi senovės
išminčiai, ir palyginus visai neseniai – dargi tokie astronomijos gigantai,
kaip Kopernikas ir Kepleris. Galima lengvai visus juos suprasti, nes
žvaigždės yra pačios įvairiausios, skiriasi jų ryškumas bei spalva, tačiau
visos jos vis tik yra niekingai smulkios ir neišvaizdžios.
Pav. 9.1. Žvaigždžių spiečius.
Lūžis žvaigždžių suvokime įvyko palyginus neseniai, kai išsivysčius
spektroskopijai pamažu buvo įsitikinta, kad jos skleidžia šviesą, savo
charakteristikomis įvairią, bet esme labai panašią į Saulės skleidžiamą.
Dabar gerai žinoma, kad jos yra įvairiausiai nutolę nuo Žemės, o jų savybės
gali būti dar įvairesnės negu kad ir šiaip matosi, tačiau pradėti
samprotauti apie jas remiantis tokiais faktais būtų buvę labai jau drąsu ir
tiek pat nekonstruktyvu. Paprasta, bet labai vertinga ir labai
pasitarnavusi pradiniame žvaigždžių studijavimo etape, hipotezė buvo ta,
kad visos jos yra vienodos, tokios kaip ir Saulė, bet tik išsidėstę
įvairiais atstumais nuo Žemės. Pabandykime pasiaiškinti, kas galėtų sekti
iš šios prielaidos, pasekdami Hiuigenso (XVII amžius) samprotavimų eigą.
Jei antroji po Saulės ryškiausia žvaigždė – Sirijus – yra lygiai tokia pati
kaip Saulė, tai abi jos per tą patį laiką išspinduliuoja tiek pat fotonų.
Sklisdami nuo Saulės, Sirijaus ar kokios kitos žvaigždės, fotonai tolygiai
išsisklaido erdvėje, užpildydami vis didesnį, priklausomai nuo nuskrieto
atstumo, sferos, kurios spindulys lygus tam atstumui, paviršių. Sferos
paviršiaus plotas, kaip žinome, proporcingas jos spindulio kvadratui, todėl
skaičius fotonų, krentančių į kokį fiksuotą tos sferos paviršiaus plotelį,
tolydžio mažėja augant sferos spinduliui atvirkščiai proporcingai jo
kvadratui.
Pav. 9.2. Atvirkštinių kvadratų dėsnis sklindant šviesai.
Jei Saulė ir Sirijus yra visai vienodos žvaigždės, tai norint palyginti
atstumus iki jų reikia tik surasti, koks yra santykis plotelių, į kuriuos
dieną iš Saulės ir naktį iš Sirijaus krenta vienodas fotonų skaičius.
Plotelis, į kurį naktį krenta Sirijaus šviesa, sukurianti matomą jo ryškį,
yra lygus akies vyzdžio plotui. Gerai įsižiūrėjęs į Sirijų naktį, dieną
Hiuigensas bandė pasidaryti tokią mažą skylutę sienoje tamsiame kambaryje,
kad ji nuo praėjusios Saulės šviesos būtų taip pat ryški, kaip Sirijus
naktį. Žinoma, tokie matavimai labai apytikriai, tačiau buvo gautas visai
protingas rezultatas, kad Sirijus yra apie 30 000 kartų toliau nuo Žemės,
negu Saulė. Tai reikštų, kad šviesa iš Sirijaus į Žemę eina 30 000 * 8 min
= 167 paras, tai yra beveik pusę metų.
Šis rezultatas yra būtent protingas, nes jis parodo, kad žvaigždės gali
būti labai toli – kadangi kitos yra matomos ne tokios ryškios kaip Sirijus,
tai jos turėtų būti dar toliau. Deja, jis nėra tikslus, – Sirijus randasi
už 8.7 šviesmečio, tai yra beveik 20 kartų toliau. Skirtumas gavosi ne tik
dėl paklaidų, atsiradusių duriant tą skylutę ir prisimenant naktį matyto
Sirijaus ryškį, bet dar ir todėl, kad Sirijus yra žymiai ryškesnis už
Saulę. Jei pastaroji būtų tokiame atstume, kaip Sirijus, tai ji nesiskirtų
nuo daugybės mažučių žvaigždelių.
Tačiau tai mes žinome tik dabar, prieš 300 metų problemos atrodė kitaip.
Niutonas savo “Ištakose” aprašo J.Gregori surastą metodą matuoti atstumui
iki Sirijaus, kuris turėtų būti įdomus ir pamokantis. Gregori pastebėjo,
kad Sirijus beveik taip pat ryškus, kaip planeta Saturnas. Kadangi kartais
jie abu matosi vienu metu ir beveik šalia, tai palyginimo paklaidos yra
žymiai mažesnės. Vienodas matomas ryškis reiškia, kad iš vieno ir antro
krentančių į akį fotonų skaičiaus tankis yra toks pat. Čia palyginimo būdas
kiek rafinuotesnis. nes Saturnas tik atspindi Saulės šviesą. Iš pradžių
Saulės išspinduliuoti fotonai, vis besiskleisdami (tankis, kaip visada,
kinta atvirkščiai proporcingai atstumo kvadratui) turi pasiekti Saturno
paviršių, ten dalis jų yra sugeriama, nes atspindžio koeficientas (albedo)
nelygus vienetui. Atspindėti fotonai, vėl tolydžio mažėjant jų tankiui, ir
krenta į akies plotą. Iš Sirijaus jie atsklinda be tarpininkų, todėl
palyginimas ir yra kiek sudėtingesnis. Aprašomu metu atstumai nuo Saulės
iki Žemės ir iki Saturno buvo žinomi, taigi Niutono skaičiavimai,
besiremiantys tik ta pačia hipoteze, kad Sirijus ir Saulė yra tokios pat
žvaigždės, turėjo būti žymiai tikslesni už Hiuigenso. Taip ir gavosi –
atstumas iki Sirijaus buvo įvertintas esąs 100 000 kartų didesnis už
atstumą iki Saulės. Tai yra tris kart geriau!
Deja, abu metodai tyrinėtojams neatrodė labai patikimi, nes priklausė nuo
prielaidos apie žvaigždžių ryškį, todėl nuolatos buvo ieškoma, kaip juos
patikslinti. Rimčiausias būdas tą padaryti yra jau mūsų apsvarstytas
paralakso matavimas, kai stebėtojai, esantys dviejuose skirtinguose
taškuose, išmatuoja kampus, kuriais ta žvaigždė matoma tolesnių žvaigždžių
fone. Vadovaujantis hipoteze, kad visos žvaigždės yra vienodos, su
tolimesnėmis žvaigždėmis problemų nėra – kuo žvaigždė mažiau ryški, tuo
toliau ji yra. Lieka tik kampų matavimo sunkumai. Kuo stebėtojai yra
arčiau vienas kito (atstumas tarp jų vadinamas baze), tuo tie kampai
artimesni 90 laipsnių, tuo sunkiau juos išmatuoti, tuo didesnė paklaida.
Jei matavimus norime atlikti vienu metu, tai didžiausia bazė, kaip nesunku
susigaudyti, lygi Žemės diametrui, nes toliau vienas nuo kito patalpinti
stebėtojų neįmanoma. Galima, tačiau, tą bazę labai padidinti, turint
omenyje Žemės judėjimą apie Saulę. Jei stebėsime tą patį objektą atskirai
vasarą ir žiemą, tai bazė bus lygi Žemės orbitos diametrui, tai yra beveik
300 milijonų kilometrų. Tai irgi ne riba, nes Žemė kartu su Saule juda apie
mūsų Galaktikos centrą, o tos orbitos spindulys yra dar didesnis.
Pav. 9.3. Paralakso iliustracija.
Taigi, reikia matuoti paralaksus. Šioje srityje įdomių rezultatų yra gavęs
V.Heršelis (1738 – 1822), todėl verta juos paminėti. Samprotavimų seka
buvo tokia. Jeigu visos žvaigždės vienodos, tai suradus šalia dvi žvaigždes
– vieną ryškią, o kitą neryškią, galima spręsti, kad viena jų yra žymiai
toliau už kitą. Todėl, per metus Žemei judant orbita, ryškesnė žvaigždė
tarsi judės elipsiu tolesnės žvaigždės aplinkoje, ir nejudančioms
žvaigždėms šis judėjimas turi kartotis metų periodu. Paprasčiau tai, kas
pasakyta, galite įsivaizduoti taip. Tarkime, scenos priekyje, arti žiūrovų,
stovi nejudantis aktorius, o scenos gilumoje yra įvairios dekoracijos
(namai, kalnai, gyvūnai ir taip toliau). Jeigu jūs galite keisti savo vietą
žiūrovų salėje, tai aktoriaus padėtis dekoracijų atžvilgiu jums judant
keisis. Tai ir yra paralakso metodo esmė. Kadangi mūsų “žiūrovas”, esantis
Žemėje, juda su planeta apie Saulę elipsiu, tai elipsį “pieš” ir aktoriaus
vaizdas (ar šešėlis) dekoracijų fone. Pagal šiuos ryškiosios žvaigždės
metinius poslinkius tolimosios atžvilgiu galima nustatyti jos paralaksą,
tai yra kampus. Kadangi bazė žinoma (ji lygi Žemės orbitos diametrui),
galima paskaičiuoti atstumą iki artimosios žvaigždės. Heršelis ir kiti
surado apie 700 tokių ryškios ir neryškios žvaigždžių porų ir bandė
nustatyti jų paralaksus, o tuo pačiu ir atstumus, tačiau pasirodė, kad nė
vienu atveju stebėti poslinkiai negalėjo būti traktuoti kaip paralaktiniai,
tai yra jie nesikartojo metų bėgyje ir turėjo dar kitokių keistenybių. Tik
daugelį metų kankinęsis prie gautų rezultatų, Heršelis pagaliau suprato,
kad jis surado dvinares žvaigždes, kurios labai paplitę Visatoje. Ryški ir
neryški žvaigždės, besiskiriančios šiuo parametru šimtus kartų, pasirodė
esą arti viena kitos ir besisukančios apie bendrą masių centrą. Pasirodė,
kad šį judėjimą puikiai aprašo Niutono mechanika, atrasta ir skirta Saulės
sistemos aprašymui. Tai buvo dar vienas argumentas, kad mes Visatoje niekuo
neišsiskiriame.
Nėra to blogo, kas neišeina į gerą, ypatingai astronomijoje. Pasirodė, kad
stebint dvigubų žvaigždžių judėjimą, jeigu žinomas vidutinis atstumas iki
tokios sistemos, galima jas sverti, panašiai kaip tai mes jau darėme
sverdami planetas pagal jų palydovų judėjimą, nes ir vienu, ir kitu atveju
galioja ta pati Niutono mechanika ir Keplerio dėsniai. Šiuo metu atstumai
iki kiek tolesnių žvaigždžių ir netgi iki kitų galaktikų yra daugiau ar
mažiau patikimai matuojami labiau rafinuotais metodais, prie kurių
nuodugnesnio nagrinėjimo mes dar grįšime. Profesionalūs astronomai,
turintys kad ir ne pačius moderniausius teleskopus, nuolatos atlieka
kasdieninius svarbius darbus, registruodami žvaigždžių koordinates. Šioje
srityje pasiektas neblogas tikslumas – išmatuojami kampai iki 0.01
sekundės. Nuolatos taip tiksliai matuojant žvaigždžių koordinates lengva
aptikti jų judėjimo trajektorijas, kurios aktualios tyrinėjant Galaktikos
struktūrą, o galų gale žvaigždžių fone ir aptikti visokius pašalinius
objektus – kometas, asteroidus ar meteoroidus. Deja, netgi toks iš pirmo
žvilgsnio atrodantis visai neblogas tikslumas neleidžia išmatuoti atstumų,
didesnių kaip 100 parsekų. Paukščių tako diametras gi yra didesnis negu 30
000 parsekų, todėl šio gražaus savo idėja ir labai paparasto metodo
galimybės ribotos netgi tyrinėjant sąlyginai artimiausią Saulės aplinką.
Reikia priminti gal tik vienetus, kuriais matuojami atstumai Visatoje.
Astronominį vienetą, žymimą AV (angliškai – AU, nes tai yra “astronomical
unit” santrumpa) ir sutampantį su vidutiniu Žemės orbitos spinduliu, lygiu
maždaug 150 milijonų kilometrų, jau anksčiau apibrėžėme. Deja, mūsų
Galaktikos – Paukščių Tako, o tuo labiau Visatos požiūriu tai yra labai
smulkus vienetas – šviesa tokį atstumą nuskrieja per 8 minutes.
Priimtinesnis yra atstumas, kurį šviesa nuskrieja per metus, vadinamas
šviesmečiu, žymimas šm, o anglakalbėje literatūroje – ly (light-year). Jis
lygus maždaug 1013 kilometrų, kas sudaro 63 240 AV. Kartais dar naudojamas
ir parsekas pc (parsec), lygus 3.26 šm. Tai yra atstumas, nutolusios kuriuo
žvaigždės paralakso kampas lygus 1″ (vienai sekundei).
Artimiausia Saulės kaimynė yra nutolusi 4.35 šm atstumu, o 16 šviesmečių
spindulio sferoje galima rasti, be Saulės, dar tik 17 kitokių žvaigždžių.
Tai reiškia, kad jos yra išsidėstę, švelniai tariant, nelabai tankiai.
Taigi, stebint kokią žvaigždę pirmiausiai nustatoma jos padėtis, jeigu
įmanoma – atstumas iki Žemės, ir dar prieš matuojant spektrą, – jos
regimasis ryškis. Turbūt akivaizdu, kad tai yra ne tiek stebimos žvaigždės
savybė, kiek charakteristika, iš esmės priklausanti nuo jos padėties
Visatoje mūsų atžvilgiu ir labiausiai – nuo atstumo. Žvaigždžių
klasifikacijos pagal šią charakteristiką schemą įvedė Hiparchas maždaug 120
metų BC. Pagal šią charakteristiką žvaigždės skirstomos į ryškius, kurių
kiekvienas sekantis yra maždaug 2.52 karto mažesnis. Nesunku suskaičiuoti,
kad 2.525 ( 100, o tai reiškia, kad šeštojo ryškio žvaigždės atrodo
esančios šimtą kartų mažesnio spindesio negu pirmojo ryškio žvaigždės.
Akimi geriausiu atveju matomos tik žvaigždės iki šeštojo ryškio. 1850
metais ši klasifikacijos sistema buvo modifikuota tiek, kad ji galioja ir
dabar. Įvestos dešimtosios ir šimtosios ryškių dalys, kurias galima lengvai
išmatuoti fotometrais, tai yra prietaisais, panašiais į tuos, kurie
automatiškai atidaro duris, fotonų sriautą paversdami elektros srove. Labai
šviesiems objektams ryškis gali būti ir neigiamas, galioja ta pati
taisyklė. Pavyzdžiui, minus ketvirto ryškio šviesulys yra šimtą kartų
šviesesnis, negu pirmojo ir taip toliau. Palyginimui kai kurių žvaigždžių,
planetų ir kitokių objektų regimieji ryškiai pateikti 9.1 Lentelėje.
Regimasis ryškis, kaip jau minėta, nėra tik pačios žvaigždės
charakteristika. Kad galima būtų palyginti įvairius šviesulius vieną su
kitu, naudojamas absoliutusis ryškis, lygus to objekto regimajam ryškiui,
jei jis būtų 10 parsekų atstume nuo Žemės. 9.2 Lentelėje pateikti kai kurių
objektų absoliutieji ryškiai, kurie rodo, kad palyginus su 9.1 Lentele
daug kas kardinaliai pasikeičia.
Pilniausiai bet kokį šviesulį galima charakterizuoti spinduliavimo
galingumu (spindesiu), tai yra pilna energija, išspinduliuojama visuose
spektro diapazonuose per vienetinį laiką. Jei Saulės, kuri spinduliuoja kas
sekundę 3.83*1033 ergų energiją, spindesį prilyginsime vienetui, tai
pasirodo, galima surasti žvaigždžių, turinčių kaip milijoną kartų didesnį,
taip ir milijoną kartų mažesnį spindesį. Vietoje Saulės patalpinus
šviesiausią žvaigždę, Žemėje akimirksniu išgaruotų vandenynai ir ištirptų
kalnai, o patalpinus blankiausią – viskas sušaltų į ragą.
Kalbėdami apie šviesą jau išsiaiškinome, kad priklausomai nuo žvaigždės
temperatūros jos spinduliavimo maksimumas gali atitikti įvairius bangų
ilgius, taigi ir įvairias spalvas.
Pav. 9.4. Žvaigždžių spalvos.
Pagal spalvą, tai yra paviršiaus temperatūrą, žvaigždės skirstomos į
spektrines klases. Šių klasių žymėjimai ir apibrėžimai ilgainiui keitėsi,
todėl galutinai yra įgavę gana chaotišką ir iš pirmo žvilgsnio nelogišką
pavidalą. Žvaigždžių spektrinės klasės žymimos raidėmis O,B,A,F,G,K ir M.
Reikia paminėti, kad šmaikštesni žmonės tvarką surado net ir šioje sekoje –
angliškai tai lengvai įsimenama kaip pirmosios raidės sakinio “Oh, Be A
Fine Girl/Guy, Kiss Me!” arba dar modernesnio sakinio “Officially, Bill
Allways Felt Guilty Kissing Monica”. Pirmosios klasės (O) žvaigždės yra
tos, kurių paviršiaus temperatūra pati didžiausia. Ji gali siekti iki 50
000 Celsijaus laipsnių. Tai yra labai šviesios žvaigždės, jų visame danguje
matosi tik keleta. B klasės žvaigždės irgi karštos, irgi šviesios, tačiau
kiek vėsesnės. Šiai klasesi priklauso nemažai ryškių žvaigždžių, stebimų
akimi. Kaip pavyzdį galima nurodyti Rygelį, kurio paviršiaus temperatūra
lygi 25 000 Celsijaus laipsnių. A klasės žvaigždės yra dar kiek vėsesnės –
jos yra baltos spalvos. Tokių žvaigždžių dar daugiau, jų indėlis Paukščių
Tako matomumui yra pats didžiausias. Charakteringos šios klasės žvaigždės
yra Sirijus, Vega, Altairas ir Denebas, kurių paviršiaus temperatūra – apie
10 000 laipsnių. Geltonai baltos žvaigždės, kiek karštesnės už Saulę,
sudaro F klasę. Kaip pavyzdį galima nurodyti Šiaurinę, kurios temperatūra
lygi 7 500 laipsnių. Saulė ir kitos geltonos spalvos žvaigždės sudaro klasę
G; jų paviršiaus temperatūra yra apie 6 000 laipsnių. Dar šaltesnės yra
oranžinės spalvos žvaigždės, sudarančios klasę K (temperatūra – nuo 4 000
iki 5 000 laipsnių), pavyzdys – gigantas Arktūras. Paskutinė yra vėsiausių,
tuo pačiu ir raudoniausių žvaigždžių klasė M. Tarp jų yra supergigantas
Betelgeizė, kurio temperatūra – tik 3 100 laipsnių.
Tarp šių dviejų svarbių žvaigždės charakteristikų – absoliučiojo ryškio ir
spalvos – yra surastas įdomus ryšys. Jei nupieštume diagramą, vadinamą jos
autorių Hercšprungo ir Raselo vardais (sutrumpintai žymima kaip H-R
diagrama, ji sudaryta 1911-1913 metais), kurios ordinačių ašyje atidėtas
žvaigždės šviesis, o abscisių ašyje – jos spalva nuo O iki M klasių, tai
dauguma stebimų žvaigždžių pasiskirsto diagramoje ne bet kaip, o sugula ant
juostos, einančios iš kairiojo viršutiniojo (didžiausias šviesis,
aukščiausia spektrinė klasė – O) į dešinįjį apatinįjį kampą (mažiausias
šviesis, spektrinė klasė M). Tokios žvaigždės, vadinamos pagrindinės sekos
žvaigždėmis, tenkina paprastą taisyklę – kuo mėlynesnė yra žvaigždė, tuo ji
yra ir šviesesnė.
Pav. 9.5. Hercšprungo – Raselo diagrama.
Atvirai sakant, turint tokius skurdžius duomenis, kaip absoliutusis
žvaigždės šviesis ir jos spalva, nepabandyti paieškoti jų sąryšio būtų ir
šiaip jau buvęs ne pats geriausias sprendimas. HR diagramos svarba yra kiek
kitokio pobūdžio. Pabandykime ją išsiaiškinti nagrinėdami lengvai suvokiamą
paprastą atvejį. Įsivaizduokite, kad matuojame kiekvieno įeinančio į
auditoriją studento ūgį ir masę. Jei, sukaupę pakankamai duomenų,
pabandysime juos susieti diagramoje, kurios x-ašyje atidedama studento masė
jos mažėjimo tvarka, o y-ašyje – jo ūgis, tai gauta diagrama bus labai
panaši į Hercšprungo-Raselo diagramą, nes studento, kurio ūgis didesnis,
turi būti didesnė ir masė, o mažesnio ūgio studentų masė – mažesnė.
Daugumos studentų taškai tikriausiai suguls ant nelabai plačios juostos,
einančios iš viršutinio kairiojo į apatinį dešinįjį kampą. Kuo ne HR
diagrama? Ką ji rodo? Nesunku suvokti, kad vienintelis dalykas, kurį ta
diagrama akivaizdžiai demonstruoja, yra tai, kad visi matuoti yra jauni ir
beveik vienodo amžiaus žmonės. Senukams, drambliams arba skruzdėlėms tos
diagramos turėtų atrodyti kiek kitaip. Tai ir yra pagrindinė išvada, kuri
žvaigždžių atveju rodo, kad jos, kaip ir studentai, turi kažką bendro.
Pav. 9.6. Studentų ūgio ir masės ryšys.
Tai reiškia, kad visose šiose žvaigždėse energija gaminama tuo pačiu būdu,
o žvaigždžių savybės skiriasi tik todėl, kad skiriasi jų masės, tai yra
“kuro” atsargos žvaigždėse. Kuo didesnė pagrindinės sekos žvaigždės masė,
tuo karštesnė ji yra, ir atvirkščiai. Saulė yra labai tipiška vidutinė
žvaigždė, jos vieta yra beveik tos diagramos centre. Yra kaip šimtą kartų
didesnės masės, taip ir beveik 12 kartų mažesnės masės žvaigždžių. Labai
masyvios žvaigždės yra labai retos, o labai lengvos, tuo pačiu ir
raudoniausios – sunkiai aptinkamos.
Diagramoje yra dar keleta sričių, kuriose išsidėstę ne pagrindinės sekos
žvaigždės – gigantai, supergigantai ir baltosios nykštukės, tačiau norint
suprasti jų prigimtį ir vietą, reikia išsiaiškinti, kodėl ir kaip “dega”
žvaigždės.
|Objektas |Regimasis ryškis |
|Saulė |-26.74 |
|Mėnulio pilnatis |-12.73 |
|100 W lemputė už 100 metrų |-13.70 |
|Venera |-4.22 |
|Jupiteris |-2.60 |
|Marsas |-2.02 |
|Sirijus |-1.45 |
|Merkurijus |-0.2 |
|Centauro alfa (artimiausia |-0.1 |
|žvaigždė) | |
|Didysis Magelano Debesis |+0.1 |
|Saturnas |+0.7 |
|Mažasis Magelano Debesis |+2.4 |
|Andromeda (toliausias matomas |+3.5 |
|objektas) | |
|Uranas |+5.5 |
|Mažiausias matomas šviesis |+6.0 |
|Neptunas |+7.9 |
|3C273 (ryškiausias kvazaras) |+12.8 |
|Plutonas |+14.9 |

9.1 Lentelė. Įvairių objektų regimieji ryškiai.

|Objektas |Absoliutinis ryškis |
|Tipiškas ryškus kvazaras |-28 |
|Ryškiausia galaktika |-25 |
|Andromeda |-21.1 |
|Paukščių Takas |-20.5 |
|Didysis Magelano Debesis |-18.7 |
|Mažasis Magelano Debesis |-16.7 |
|Ryškiausia žvaigždė |-8 |
|Vega (ryški žvaigždė) |+0.5 |
|Sirijus |+1.41 |
|Centauro Alfa |+4.35 |
|Saulė |+4.83 |
|Venera |+28.2 |
|Mėnulio pilnatis |+31.8 |
|100 W lemputė |+66.3 |

9.2 Lentelė. Įvairių objektų absoliutieji ryškiai.

Klausimai

1. Atstumų iki artimiausiųjų žvaigždžių matavimo metodai?

2. Kas tai yra šviesmetis?

3. Kas tai yra parsekas?

4. Kiek kartų skiriasi regimasis ryškis žvaigždžių, priklausančių

gretimoms ryškio grupėms?

5. Kokio regimojo ryškio žvaigždės dar matomos plika akimi?

6. Kas yra žymima raidžių seka OBAFGKM?

7. Kokios žvaigždžių charakteristikos susiejamos Hercšprungo-Raselo

diagramoje?

10. Žvaigždės gyvenimas ir nuotykiai

Jau kalbėjome, kad iš pirmo žvilgsnio visos žvaigždės yra gana panašios,
gal todėl kiek gyvybinga buvo ir dangaus sferos idėja. Vėliau, praeitoje
paskaitoje, išsiaiškinome, kad žvaigždės vis tik yra skirtingos, ir kartais
netgi žymiai. Dabar pagaliau atėjo laikas išsiaiškinti, kas jas jungia, ir
suprasti to lyg ir begalinio žvaigždžių energijos šaltinio prigimtį.
Pamatysime, kokios jos vis tik yra vienodos, besiskiriančios tik
pagrindiniu parametru – mase, kuri apsprendžia beveik visas kitas jų
savybes.
Saulė, kaip prisimename, yra tipiška vidutinė žvaigždė. Dėl akivaizdžių
priežasčių ji yra žymiai geriau ištirta už visas kitas žvaigždes, todėl
pirmiausia panagrinėsime jos savybes. Tai padės lengviau suvokti ir visų
kitų žvaigždžių ypatybes.
Saulės vidutinis tankis yra 1.41 gramo į kubinį centimetrą. Tai yra ne ką
daugiau už vandens tankį, tačiau Saulė greičiau panašesnė ne į skysčio, o į
labai įkaitusių dujų rutulį. Jos paviršiuje tankis visai mažas, tačiau
einant gilyn jis labai auga ir centre pasiekia reikšmes, dešimtis kartų
didesnes už švino tankį. Vis tik tai yra dujos, nes dėl labai aukštos
temperatūros įvairios esančios ten dalelės juda tokiais didžiuliais
greičiais, kad kokios nors koreliacijos, būdingos skystį arba kietą kūną
sudarančioms dalelėms, pasireikšti negali. Betarpiškai matomas yra tik
Saulės paviršius; apie jos vidinę struktūrą galima spręsti tik kombinuojant
netiesioginių eksperimentų ir teorijos rezultatus. Gautos tokiu būdu žinios
yra patikimos, nauja informacija tik patikslina jau turimą.
Pirmiausia akivaizdu, kad šis dujų kamuolys kažkaip tai laikosi
nekolapsuodamas, nesuskildamas ir neišgaruodamas. Yra išsiaiškinta, kad
jeigu veiktų tik gravitacinė sąveika, Saulė sukolapsuotų, tai yra
susitrauktų į labai mažą kamuoliuką. Tam priešinasi jau minėta didžiulė
vidinių dalelių kinetinė energija, sukelianti efektinę slėgio jėgą,
priešingą gravitacinei. Šis balansas, vadinamas hidrostatine pusiausvyra,
yra patenkintas kiekviename žvaigždės vidiniame taške; kitaip žvaigždę
sudaranti medžiaga tekėtų iš sričių, kuriose jėgos nesubalansuotos, į
sritis, kur toks balansas jau susigulėjęs, ir pusiausvyra vistiek
nusistovėtų.
Išoriniuose Saulės sluoksniuose, kur branduolinės reakcijos nevyksta,
vandenilio atomai sudaro net iki 90 %, vidiniuose sluoksniuose jo yra kur
kas mažiau – apie 73 %. Kaip minėjau, kitą dalį (viduje – apie 25 %) ten
sudaro helio atomai. Kitų elementų yra tik pėdsakai. Tokia Saulės, kaip ir
kitų žvaigždžių, sudėtis yra sąlygota jos prigimties ir vykstančių
branduolinių reakcijų. Sritis, kurioje tos reakcijos vyksta, užima tik apie
20 % spindulio. Joje tačiau sukoncentruotas apie trečdalis visos Saulės
masės, nes būtent toje srityje tankis yra pats didžiausias. Vykstant šioms
reakcijoms, apie kurias dar kalbėsime nuodugniau, išsiskiria daug
energijos, kurios dalis pavirsta reakcijos produktų kinetine energija (iš
čia ir aukšta temperatūra), o kita dalis išspinduliuojama gama kvantų
(didelės energijos fotonų) pavidale. Šie fotonai, daug kartų absorbuoti ir
vėl išspinduliuoti ir dėl to praradę energiją, pavirtę visai kitų bangų
ilgių fotonais, galų gale pasiekia Saulės paviršių ir išsisklaido erdvėje,
apšviesdami ir mus. Jei kelią, lygų Saulės spinduliui, fotonas vakuume
nulekia per 2 sekundes, tai Saulėje tą kelią jis įveikia tik per milijoną
metų. Taigi, jei branduolinės reakcijos Saulėje staiga nutrūktų, mes to dar
nepajustume milijoną metų! Kaip prisimenate, šis degantis dujų rutulys
sukasi, iš jo išlekia ne tik fotonai, bet ir elektringos dalelės,
sklindančios į visas puses dideliu greičiu (Saulės vėjas) ir sukamos
besisukančios Saulės magnetinio lauko ir tuo pačiu ją stabdančios.
Didžiausia, daug metų neįminta paslaptis, susijusi su Saule, buvo jos
energijos šaltinis. Suprasta ji tik šio amžiaus pradžioje, kai Einšteinas
paskelbė savo garsiąją formulę

E = m c2 ,

Paaiškinusią, kad masė gali virsti energija, o energija – mase. Deja, tai
buvo tik principinė galimybė, kuri galutinai įgavo prasmę tik suformulavus
kvantinę mechaniką (1926 metais). Įsigilinus galima suvokti, kad kaip tik
pagal šią formulę suvalgytas maistas oksidacijos reakcijos metu virsta
energija, reikalinga palaikyti kūno temperatūrą ir funkcionuoti visiems
organams. Minėtos anksčiau maisto virškinimo cheminės reakcijos būtent ir
yra tokios, kurių metu susidariusio produkto masė yra šiek tiek mažesnė už
reaguojančių molekulių masių sumą. Tas skirtumas ir pavirsta energija. Tas
pats vyksta ir degant malkoms, anglims ar dujoms. Deja, išsiskirianti šių
reakcijų metu energija yra labai maža palyginus su ta, kurią spinduliuoja
kokia nors žvaigždė.

|Medžiaga |Procesas |Laikas, kurį dega, |
|(visur – po vieną | |naudodama sukurtą |
|kilogramą) | |energiją, 100 W lemputė |
|Vanduo |Krenta iš 50 m aukščio, |5 sekundės |
| |beveik kaip Kauno | |
| |hidroelektrinėje | |
|Anglis |Sudega krosnyje arba |8 valandos |
| |šiluminėje elektrinėje | |
|3 procentų įsodrinimo |Skyla reaktoriuje, tokiame|690 metų |
|urano rūda UO2 |kaip Ignalinos atominėje | |
| |elektrinėje | |
|Grynas uranas 235U |Pilnas skilimas, toks kaip|30 tūkstančių metų |
| |pirmosiose atominėse | |
| |bombose | |
|Deuterio ir tričio dujų |Pilna sintezė, tokia kaip |30 tūkstančių metų |
|mišinys |žvaigždėse ar | |
| |šiuolaikinėse | |
| |branduolinėse bombose, | |
| |arba kaip dar taip ir | |
| |nesukurtame | |
| |termobranduoliniame | |
| |reaktoriuje | |
|Medžiaga ir antimedžiaga |Anihiliacija, tokia kaip |30 milijonų metų |
| |pagal Einšteino formulę E | |
| |= mc2 | |

10.1 Lentelė

Kokie energijos, sukauptos vienose ar kitose medžiagose ir atskleidžiamos
kokiu nors specifiniu būdu, masteliai, galima spręsti iš 10.1 Lentelės.
Taigi, visa energija, sukaupta medžiagoje, o tiksliau tariant – masėje, yra
išties kolosališka, ir netgi daug kartų didesnė už energiją, kurią gamina
degančios žvaigždės. Deja, kol kas ji gaunama tik moderniausiuose
greitintuvuose, kuriuose susiduria dideliu greičiu priešpriešai judantys
dalelių ir antidalelių pluoštai. Mūsų stebimoje Visatos dalyje
antimedžiagos labai mažai, bet neperseniausiai vis tik yra užfiksuota
spinduliuotė, bylojanti apie kartais vykstančius elektronų ir jų
antidalelių – pozitronų – susidūrimus.
Kas gi vyksta žvaigždės viduje? Panašiausias į tiesą scenarijus paskelbtas
Nobelio premijos laureato fiziko H. Betės darbuose apie 1930 metus. Tai yra
vadinamasis proton-protoninis ciklas. Jei pamenate, yra nustatyta, kad ir
Saulė, ir jos planetos yra susidarę iš to paties besisukančio dujų
(daugiausia vandenilio) ir dulkių debesies, kuriame atsiradus
nehomogeniškumui gravitacinės jėgos pritraukia vis naujus ir naujus
vandenilio atomus.
Pav. 10.1. Planetiškieji ūkai.
Augant tankiui ir jų energijai, atomai pradeda daužytis vienas į kitą ir
jonizuotis. Šis procesas yra nepusiausvyrinis, kadangi gravitacinei jėgai
niekas negali pasipriešinti; todėl ilgainiui tankis ir energija taip
išauga, kad bet kokie du protonai įgyja pakankamai energijos nugalėti
elektrostatinį atostūmį, atsirandantį dėl krūvio vienodumo. Kai tai
atsitinka, suartėjus dviems protonams tiek, kad pradeda veikti branduolinės
(stipriosios) jėgos, jie gali sulipti, sudarydami deuterio branduolį.
Vienas protonas tokiu atveju pavirsta neutronu; išspinduliuojamas
pozitronas ir neutrinas.
Pav. 10.2. Proton-protoninis ciklas.
Šis deuterio branduolys, susidūręs su trečiuoju protonu, gali pagimdyti dar
naują branduolį, sudarytą iš dviejų protonų ir neutrono. Susidūrus šiems
branduoliams kaip tik ir atsipalaiduoja didžiulė energija, kadangi susidaro
alfa dalelė. Jos stabilumas reiškia, kad jos masė yra mažesnė už
reaguojančių branduolių ir kitų reakcijos produktų (dviejų protonų) masių
skirtumą. “Sutaupyta” masė, sudaranti 0.007 pradinės masės dalį, virsta
energija, kurią nusineša gimę dalelės. Prasidėjus tokioms reakcijoms,
atsiranda jau minėtas slėgis, besipriešinantis gravitaciniam kolapsavimui,
žvaigždė toliau nebesitraukia, o pradeda išlaikyti formą.
Aktualus čia klausimas, kiek laiko užteks Saulei turimo “kuro”. Pasirodo,
kad baimintis nėra ko. Saulė dega dar tik apie 5 milijardus metų, ir turimų
atsargų pakaktų dar tokiam pat laikui. Šį rezultatą galima gauti
įvertinus, kad apie 10 % Saulės masės, lygios 2 * 1033 gramų, reaguoja,
ir suskaičiavus, kiek energijos ( 0.007 pradinės masės dalis) išsiskiria
kiekviename minėtame akte, o taip pat pasirėmus prielaida, kad Saulė
spinduliuoja visą laiką tokią pat kaip šiuo metu ( 4 * 1033 ergų per
sekundę) energiją. Taigi, tai nėra labai grubūs įvertinimai, jie gana
patikimi ir gali įkvėpti optimizmą, kad Saulės energijos, kol žmonės išmoks
apsirūpinti kokia nors kitokia, mums turėtų užtekti.
Taigi, Saulė yra tipiška vidutinė žvaigždė. Iš vienos pusės tai gerai, bet
iš kitos nelabai patrauklu, nes jos studijos duoda nelabai daug
informacijos apie tai, kas vyksta kitokiose žvaigždėse ir kas atsitinka
vėliau, kai išdega (pavirsta heliu) esantis žvaigždėje vandenilis. Kadangi
šis procesas yra negrįžtamas, nes jo metu energija išsiskiria, turi kas tai
iš esmės pasikeisti tokios žvaigždės evoliucijoje. Teoriniai tyrimai, o ir
stebėjimai, rodo, kad būtent tai ir įvyksta.
Pirmiausia reikia paminėti, kad netgi pradinėje žvaigždės evoliucijos
stadijoje, kai deginamas vandenilis, masyvesnėse nei Saulė žvaigždėse
lygiagrečiai gali vykti dar ir kitas vandenilio virtimo heliu būdas,
vadinamasis CNO (anglies – azoto – deguonies) ciklas. Jo metu keturi
vandenilio branduoliai (protonai) galų gale taip pat pavirsta helio atomo
branduoliu (alfa dalele), tačiau šis ciklas yra efektyvesnis, nes anglies
branduoliai dalyvauja kaip katalizatoriai, o azotas ir deguonis – kaip
reakcijos produktai. Tai būdinga viršutiniame kairiajame Hercšprungo –
Raselo diagramos kampe esančioms didelio ryškio ir masės žvaigždėms, tuo
tarpu kai pirmasis (proton-protoninis) ciklas labiau savitas dešiniajame
apatiniame kampe esančioms, tai yra mažesnio ryškio ir raudonesnėms
žvaigždėms. Įskaitant dar ir visokius tarpinius variantus, nustatyta, kad
visos žvaigždės, esančios pagrindinėje šios diagramos sekoje, yra jaunos
žvaigždės, kuriose pirmuoju, antruoju arba abiem ciklais kartu deginamas
vandenilis. Kuo masyvesnė žvaigždė, tuo šios reakcijos joje aktyviau
vyksta, tuo didesnis jos ryškis, tuo baltesnė (ar mėlynesnė) ji yra.
Nustatyta, kad masyviose žvaigždėse šios reakcijos vyksta žymiai greičiau
negu lengvosiose, todėl masyvios žvaigždės greičiau sudega. Saulės degimo
laiką gavome lygų apie 10 milijardų metų. Žvaigždės, kurios masė 20 kartų
didesnė, vandenilio deginimo laikas analogiškai vertinant gaunasi tik apie
20 milijonų metų. Mažesnėms žvaigždėms jis gali būti žymiai didesnis net ir
už 10 milijardų metų. Deja, dėl fizikinio pobūdžio priežasčių negali
susiformuoti nė nepaprastai masyvios, nė itin mažos žvaigždės, nes pirmuoju
atveju tai riboja žvaigždės atsiradimo sąlygos (debesies tankis,
fluktuacijos dydis ir pan.), kurios negali būti kokios nors iš esmės
besiskiriančios nuo vidutinių, o antruoju atveju todėl, kad nesukaupus
žvaigždei pirmajame etape pakankamai masės, branduolinės reakcijos iš viso
negali prasidėti, kaip matyt ir įvyko formuojantis Jupiteriui, kuris savo
sudėtimi labai panašus į Saulę, bet nešviečia.
Pav. 10.3. Žvaigždžių gimimas.
Pav. 10.4. Sietynas – jaunų žvaigždžių spiečius.
Minėjau, kad šie rezultatai gauti teorinių samprotavimų ir skaičiavimų
išdavoje, tačiau egzistuoja ir labai įdomi galimybė pasitikrinti šias
išvadas. Yra surasta nemažai taip vadinamų žvaigždžių spiečių, turinčių nuo
kelių dešimčių iki šimtų tūkstančių žvaigždžių (nepainioti su galaktikomis,
turinčiomis jų milijardus). Žvaigždės, sudarančios tokį spiečių, yra
susiformavę beveik vienu metu iš to paties dujų debesies, skiriasi tik jų
masės. Lengva tokias žvaigždes lyginti, nes jos visos beveik vienodai
nutolę nuo Žemės ir paklaidos nustatant atstumus, o tuo pačiu ir
absoliučiuosius ryškius, tokiu atveju yra minimalios. Akivaizdu, kad minėta
teorija yra patvirtinta tokių spiečių stebėjimais.
Sudegus vandeniliui, žvaigždė išeina iš pagrindinės sekos. Kokioje sekos
vietoje tai atsitinka ir į ką ji nuevoliucionuoja, priklauso vėlgi
pagrindinai tik nuo žvaigždės masės. Pirmiausia panagrinėkime evoliuciją
žvaigždės, kurios masė maždaug lygi Saulės masei, po to atskirai
panagrinėsime kaip masyvesnes, taip ir lengvesnes.
Pav. 10.5. Žvaigždžių piramidė.
Saulės tipo žvaigždė, kaip ir visos kitos, degdama tolydžio kinta, nes
vandeniliui virstant heliu centrinės dalies tankis ir temperatūra auga.
Auga ir žvaigždės šviesis, taigi ji lėtai juda diagramoje aukštyn, likdama
pagrindinėje sekoje. Pakilusi centre temperatūra labiau įšildo ir išorinius
sluoksnius, juose irgi prasideda vandenilio degimo reakcijos. Taip degimo
sritis tolydžio plečiasi, kol, praėjus po gimimo maždaug 10 milijardų metų,
pasiekia artimas žvaigždės išorei sritis, kuriose gravitacijos jėgos jau
nebepajėgia priešintis termobranduolinių reakcijų energijai. Tai reiškia,
kad dauguma buvusio žvaigždėje vandenilio jau pavirto heliu. Čia labai
vykusi man atrodo analogija su krosnimi, į kurią pridėjus kuro degtuku
uždegama tik labai nedidelė sritis kur nors netoli pakuros. Ugnis toliau
pati žino ką daryti – ji plinta į kraštus, įtraukdama į reakciją vis naujas
kuro mases ir versdama jas pelenais. Žvaigždėse tų “pelenų”, kaip
pamatysime, yra daug rūšių, ir pirmoji jų yra helis. Kaip minėta,
termobranduolinių reakcijų sričiai artėjant prie žvaigždės paviršiaus,
gravitacinė trauka jau nebepajėgia atsverti slėgio, atsirandančio dėl
aukštos temperatūros srities plitimo. Krosnyje taip neatsitinka, nes
plitimą sustabdo jos sienelės. Šį energijos perteklių žvaigždės paviršiuje
galima kompensuoti tik plečiantis išoriniams sluoksniams ir dėl to jiems
vėstant. Taip ir atsitinka. Žvaigždės spindulys šioje stadijoje gali labai
išaugti – iki 50 kartų. Padidėjus žvaigždės paviršiaus plotui padidėja ir
jos šviesis (iki 1500 kartų), nors išorinių sluoksnių temperatūra dėl
plėtimosi tolydžio krenta. Žvaigždė virsta raudonąja milžine, telpančia
dešiniajame viršutiniame HR diagramos kampe.
Jeigu žvaigždės masė nedidelė, tuo visos branduolinės reakcijos ir
pasibaigia. Saulės masės žvaigždei galimas dar vienas šansas sublizgėti –
vadinamasis helio blyksnis. Jis įvyksta todėl, kad vandenilio degimo
reakcijai plintant į išorę vidiniai sluoksniai, sudaryti iš helio, pradeda
trauktis ir šilti, ir besibaigiant vandenilio degimui temperatūra centre
pasiekia reikšmes, pakankamas, kad trys helio branduoliai susidūrę įveiktų
kuloninį atostūmį ir suartėtų iki atstumų, kai pradeda veikti branduolinės
jėgos. Tada jie virsta anglies atomo branduoliu, turinčiu šešis protonus ir
šešis neutronus. Po tokios reakcijos produkto masė vėl yra mažesnė už
susiduriančiųjų trijų branduolių, todėl, kaip ir degant vandeniliui,
atsipalaiduoja nemažai energijos. Žvaigždė vykstant šiai reakcijai pradeda
gaminti energiją dar ir antruoju būdu. Saulės masės žvaigždėms tuo visos
reakcijos ir pasibaigia, tuo tarpu masyvesnėms vykstant helio degimui
centre gali susidaryti sąlygos, palankios dar sunkesnių branduolių –
deguonies, neono, magnio ir toliau iki geležies, sintezei. Kadangi geležis,
kaip žinome, turi stabiliausią atomo branduolį, tolesnės branduolių
sintezės reakcijos vykti nebegali, nes jos neapsimoka energetiškai. Jeigu
ir susidaro koks sunkesnis elementas, tai tik grynai atsitiktinai.
Antrą kartą tapusi raudonąja milžine, Saulės tipo žvaigždė degraduoja, nes
praranda galimybę gaminti energiją. Ir pirmąjį, ir antrąjį kartą
branduolinių reakcijų zonai priartėjus prie žvaigždės paviršiaus, dalis
išorinio sluoksnio nulekia į erdvę, kadangi jo niekas nebelaiko, o kinetinė
energija yra labai didelė. Taip atsitikus antrąjį kartą, žvaigždė pradeda
pulsuoti, kaskart nusimesdama vis naujus išorinius sluoksnius. Dėl to ji
pradeda mažėti. Niekas nebesipriešina gravitacinėms jėgoms, tačiau centre,
kuris dabar tampa išore, esanti aukšta temperatūra sąlygoja jos baltą
spalvą. Tokia žvaigždė tolydžio vėsta ir traukiasi, kol galų gale tampa
baltąja nykštuke. Tai yra gana keistas objektas, kurio masė palyginama su
žvaigždės, iš kurios ji išsivystė, mase, o spindulys – su Žemės spinduliu.
Tai sąlygoja labai didelį jos tankį, pasiekiantį tonų į kubinį centimetrą
reikšmes. Baltajai nykštukei tolydžio vėstant keičiasi ir jos spalva. Ji
tampa raudonąja, po to – rudąja nykštuke ir ilgainiui – visai nematoma.
Masyvesnės už Saulę žvaigždės savo kelią pradeda kitoje HR diagramos
vietoje, nes jų šviesis yra didesnis, o spalva – mėlynesnė. Jų gyvavimo
laikas mažesnis, todėl viskas vyksta daug greičiau. Tokia žvaigždė gali
pereiti ne dvi, bet keletą raudonosios milžinės fazių, įvykstančių
pasibaigus eiliniam branduoliniam kurui (vandeniliui, heliui, angliai,
deguoniui, neonui ir taip toliau). Kiekvieną kartą po tokios fazės ji
praranda dalį savo masės. Priklausomai nuo to, kiek masės liko, galimi keli
tolesnės evoliucijos išdegus visam branduoliniam kurui, variantai. Jei
lieka mažiau kaip 1.4 Saulės masės, ji, kaip ir Saulė, evoliucionuoja į
baltąją nykštukę. Jei likusi masė didesnė už šią, bet mažesnė už 2 – 3
Saulės mases, ji galų gale, po sprogimo, tampa neutronine žvaigžde.
Neutroninės žvaigždės atsiranda, kai kolapsuojant žvaigždei elektronas ir
protonas gali susispausti taip, kad įvykus specifinei reakcijai iš jų
susidaro neutronas. Atsiradusių neutronų tolesnis suspaudimas tokios masės
žvaigždei neįmanomas, todėl ji ir lieka neutronine žvaigžde. Kaip
prisimenate, nei iš dviejų, nei iš trijų ir taip toliau neutronų stabilūs
branduoliai nesusidaro. Neutroninė žvaigždė irgi nėra darinys, panašus į
kokio nors elemento branduolį, nes ji laikosi ne dėl stipriosios, o tik dėl
gravitacinės sąveikos. Jos savybės dar fantastiškesnės už baltosios
nykštukės savybes, nes diametras sudaro ne daugiau kaip 10 kilometrų, o
masė, kaip minėjau, lygi maždaug dviems Saulės masėms. Pabandykite
paskaičiuoti jos tankį!
Esant dar didesnėms liekamosioms masėms, sudegusi žvaigždė sprogsta,
sužibėdama kaip supernova, ir iš jos liekanos išsivysto juodoji skylė
(bedugnė), tai yra pats egzotiškiausias iš visų kol kas minėtų objektų,
reiškiantis visišką gravitacijos jėgų pergalę prieš visas kitas, visus
fizikos draudimus ir pagrindines taisykles. Ilgą laiką buvo manoma, kad jų
iš viso neįmanoma pastebėti, tačiau dabar ši nuomonė jau yra kiek pakitusi.

Pav. 10.6. Krabo ūkas – liekana supernovas, kurią kiniečiai užfiksavo 1054
metais.
Pav. 10.7. Įvairių supernovų liekanos.
Pav. 10.8. 1987 A supernova prieš sprogimą ir tuoj pat po jo.
Žvaigždei kolapsuojant, tai yra mažėjant jos spinduliui, gali ateiti toks
momentas, kad pirmasis kosminis greitis, tai yra greitis, būtinas įveikti
to objekto traukos jėgą, gali pasidaryti didesnis už šviesos greitį. Tai
įvyksta, kai objekto spindulys sumažėja iki taip vadinamo Švarcšildo
spindulio, kuris Saulei lygus 3 kilometrams, Žemei – 9 milimetrams ir
panašiai; yra formulė jam suskaičiuoti. Tokiu atveju iš taip susitraukusio
objekto negali “pabėgti” netgi fotonai. Jei taip, tai jokia informacija iš
kūno, susitraukusio iki šios sferos arba mažesnių matmenų, išeiti į išorę
negali. Tai ir yra juodoji skylė. Logiška galvoti, kad jų tuo pačiu
negalima ir aptikti, tačiau tai nėra visai teisinga. Pasirodo, toks
objektas, turintis didelę masę, gali pasireikšti iškreipdamas apie save
erdvę. Jei jis būtų vienas iš dvinarės žvaigždės narių, tai antrojo objekto
– matomosios žvaigždės judėjimo pobūdis gali stipriai pasikeisti. Stebint
tokios žvaigždės judėjimą, galima identifikuoti jos partnerę. Juodoji skylė
gali taip pat iškraipyti praskriejančius pro šalį fotonus, tai irgi gali
padėti ją aptikti.
Tuo ir galima būtų baigti žvaigždžių gyvenimo apžvalgą. Visatoje yra
stebimos praktiškai visos minėtos vystymosi fazės, pradedant gimimu iš dujų
ir dulkių debesies ir baigiant juodaja skyle. Matomi ir dar įdomesni
procesai, kai evoliucionuojant žvaigždžių poros nariams jie pradeda įtakoti
vienas kitą ne tik gravitacinėmis jėgomis, bet ir betarpiškai. Materija
gali tekėti iš vienos žvaigždės į kitą, ir buvusi blyški nykštukė gali
tapti ryškia žvaigžde, vadinama nova. Po kiek laiko, jai sudegus, gali
vykti atvirkščias procesas, ir taip toliau. Taigi žvaigždės tarsi gyvena,
bendradarbiauja, kaip kokios firmos, vienos bankrutuodamos, kitos – jų
sąskaita išsiplėsdamos, ir šiaip patirdamos visokius kitokius
netikėčiausius nuotykius.

Klausimai

1. Kas apsprendžia žvaigždės gyvavimo laiką?

2. Kokiam procesui pasibaigus žvaigždė išeina iš pagrindinės sekos?

3. Žvaigždės energijos šaltinis?

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

skylei?

5. Kas tai yra Juodoji skylė?

6. Kokie branduoliai gaminasi degant žvaigždei?

7. Kokių žvaigždžių mūsų Galaktikoje daugiausia?

11. Paukščių Takas ir kitos galaktikos

Dar Niutonas ir Hiuigensas manė, kad žvaigždės yra daugiau ar mažiau
tolygiai išbarstytos begalinėje Visatoje. Su tokiu įvaizdžiu silpnai
derinosi tai, ką galima pamatyti giedrią naktį pakėlus žvilgsnį nuo žemės.
Lengvai pastebima, kad daugiausia žvaigždžių yra išsidėstę gana siauroje
netaisyklingos formos juostoje, einančioje išilgai dangaus skliauto.
Senovės romėnai ją vadino Via Lactea (panašiai skamba ir panašios kilmės
yra ir pats žodis “Galaktika”, graikų kalboje galaktikos reiškia pienišką,
pieninį), anglakalbėje literatūroje ji identifikuojama kaip Milky Way, mes
vėlgi turime originalų ir gana vykusį pavadinimą – Paukščių Takas. Bene
pirmajam, kiek žinoma, tai parūpo išsiaiškinti Tomui Raitui (1711 – 1786).
1750 metais jis atspausdino knygą, kurios pavadinimas užimtų per daug
vietos, todėl nesiryžtu jo versti. Svarbu tai, kad ji buvo skirta Visatos
modeliui, galinčiam paaiškinti Paukščių Tako buvimą. Autorius teigė, kad
žvaigždės, panašiai kaip planetos, juda apie kažkokį tolimą centrą
apskritiminėmis orbitomis, esančiomis maždaug toje pat plokštumoje, labai
panašiai kaip planetos apie Saulę. Imanuelis Kantas (1724 – 1804), kurio
senelis iš Priekulės savo laiku persikėlė į Karaliaučių beveik visai
nemokėdamas vokiškai, tuo metu dirbęs gamtos ir matematikos mokytoju, iš
laikraščio sužinojęs apie šią knygą, susidomėjo astronomija ir pašventė jai
keleta metų. Jo knygoje “Visuotinė dangaus istorija ir teorija”, skelbtoje
1755 metais, galima rasti daug dar ir šiandien vertingų minčių, kurios
profesionalių astronomų ilgą laiką buvo ignoruojamos. Kanto samprotavimai
paremti griežta logika. Jis pradeda nagrinėjimą nuo to, kad kaip Saulės
sistema, taip ir galaktika, kuri tuo metu buvo tapatinama su Visata, yra
atsiradusios veikiant tai pačiai gravitacinei sąveikai. Dėl šios
priežasties jų panašumas ne tik kad neturėtų stebinti; greičiau būtų
keista, jei jo nebūtų. Taip samprotaujant nesunkiai seka jau minėta išvada,
kad žvaigždės gali suktis apie kokį nors centrą apskritiminėmis arba
elipsinėmis orbitomis. Toliau Kantas netgi drįso prognozuoti, kaip atrodytų
ši žvaigždžių sistema žiūrint iš šono. Taigi, jei žiūrime statmenai
sukimosi plokštumai, ji turėtų atrodyti kaip skritulys, o iš šono,- kaip
elipsė. Toliau jis teigė dar daugiau: kadangi žvaigždės išsidėstę retai,
tai toks darinys, žiūrint iš didelio atstumo, kai neįmanoma atskirti
žvaigždžių, turi atrodyti kaip nelabai šviesus beveik vienodo ryškio
diskas. Toliau jis teigė, kad panašūs žvaigždžių dariniai yra astronomų
matomi kaip ūkai – nedidelės šviečiančios dėmės. Šie Kanto teiginiai
stebėtinai tikslūs, tačiau tik po šimto metų, sukonstravus spektroskopą ir
rūpestingai juo patyrinėjus žvaigždes ir ūkus, surasta, kad spiraliniai
ūkai turi tokio pat tipo spektrus, kaip ir žvaigždės, tuo tarpu kai dujų
ūkų, kurie gana dažni mūsų galaktikoje, spektrai buvo sudaryti iš atskirų
linijų. Taigi, Kantas pirmasis suprato astronominės Visatos, kaip sujungtų
traukos jėga sistemų visumos, struktūrą, kuri profesionalams dėl tvirtai
nustatytų eksperimentinių faktų trūkumo buvo neaiški iki pat 20 amžiaus
pradžios.
Pav. 11.1. Paukščių Tako struktūra.
Šiandien apie mūsų Galaktiką (skirtingai nuo kitų pavadinimas rašomas iš
didžiosios raidės) – Paukščių Taką, žinoma labai daug. Tai yra viena
didžiausių ir gražiausių iš visų stebėtų galaktikų. Ją sudaro apie 400
milijardų žvaigždžių, jos masė lygi 140 milijardų Saulės masių, o šviesis –
20 milijardų Saulės šviesių. Kasmet joje gimsta apie 10 naujų žvaigždžių.
Jos aplinkoje skrieja keleta artimų nykštukinių galaktikų, kurias Paukščių
Tako sukeltos potvynio jėgos ardo ir susiurbia.
Tipiškas žvaigždžių tankis Saulės kaimynystėje yra apie 20 žvaigždžių į
kubinį parseką. Visumoje Paukščių Takas panašus į sudėtus vieną ant kito du
CD diskus su nemaža tankia sfera centre ir apiplyšusiais pakraščiais,
sudarytais iš atskirų spiralinių “vijų”. Disko diametras yra apie 30 Kpc
(Kiloparsekų, tai yra tūkstančių parsekų), centrinio rutulio diametras –
apie 10 Kpc, o disko storis – tik keli šimtai parsekų. Saulė su visais savo
šeimos priklausiniais sukasi apie Galaktikos centrą nutolusi nuo jo maždaug
8.5 Kpc atstumu, apsukdama pilną ratą per 210-250 milijonų metų. Taigi, per
visą savo gyvenimą Saulė yra padariusi ne ką daugiau kaip 20 apsisukimų.
Šviesa nuo vieno Paukščių Tako pakraščio iki kito sklinda apie 130 000
metų, todėl verta bent trumpai pasiaiškinti, kaip galima išmatuoti tokius
atstumus, nes jokie anksčiau minėti metodai šiuo atveju nebetinka.
Principas, kuriuo paremti šie matavimai, taip pat yra gana paprastas. Kaip
prisimenate, jei žinomas kokio nors šviesulio absoliutusis ryškis, tai yra
kiek ir kokių fotonų jis išspinduliuoja per vienetinį laiką, ir žinomas jo
regimasis ryškis, tai yra kiek tų fotonų per vienetinį laiką krenta į ploto
vienetą Žemėje, tai galima surasti atstumą iki to šviesulio, nes tie
fotonai toldami nuo šaltinio pasiskirsto vis didesnėje ir didesnėje
sferoje, kurios spindulys lygus fotonų sklidimo laikui, padaugintam iš
šviesos greičio. Svarbiausias čia, be jokių abejonių, yra absoliutusis
ryškis, nes matomąjį galima lengvai užfiksuoti nieko per daug
neišradinėjant. Kaip surasti jį? Prisiminkime HR diagramą. Jeigu galima
nustatyti, kad žvaigždė priklauso pagrindinei sekai, tada jos absoliutusis
ryškis yra labai paprastai, beveik tiesiai proporcingai, surištas su
spalva. Spalvą gi galima identifikuoti praktiškai bet kokiu atstumu
esantiems objektams, po to pagal ją iš diagramos nustatę absoliutųjį ryškį
kartu lengvai surandame ir atstumą.
Laimei, tai yra ne vienintelis metodas matuoti atstumams iki tolimų
žvaigždžių. Galima dar pasinaudoti ir gana specifinėmis kai kurių
žvaigždžių savybėmis. Jei prisimenate, pasibaigus žvaigždės branduolinėms
reakcijoms ji tampa milžine ir po to gali dar kurį laiką pulsuoti,
nusimesdama atvėsusius paviršinius sluoksnius, vėl sublizgėdama ir taip
toliau. Tokių pulsacijų periodai yra patys įvairiausi, pradedant nuo dienos
dalių ir baigiant poros metų ilgiu. Šios žvaigždės vadinamos cefeidėmis
(šis pavadinimas kilo pagal prototipą, kadangi pirmoji, dar
aštuonioliktajame amžiuje pastebėta tokio tipo žvaigždė priklausė Cefėjaus
žvaigždynui), turi absoliutųjį šviesį, koreliuotą su pulsacijų periodu.
Patyrinėjus tokias žvaigždes Magelano Debesyse, tai yra artimosiose
nedidelėse galaktikose, kur visos esančios žvaigždės yra beveik vienodai
nutolę nuo Žemės, šis ryšys ir buvo nustatytas. Kadangi cefeidės yra
gigantiškos žvaigždės, jų ryškis yra didelis, jos gali būti pastebėtos iš
didelių atstumų, ir pulsavimo periodas vėlgi lengvai išmatuojamas, tai šis
atstumų matavimo metodas pasirodė esąs labai efektingas.
Kaip matome, netgi tokiems didžiuliams atstumams matuoti surasta įdomių ir
rafinuotų būdų, žmogaus proto galia yra išties įspūdinga.
Žiūrėdami į tankią žvaigždžių juostą, tą patį Paukščių Taką, lengvai galime
suvokti, kad Saulės sistema randasi Galaktikos diske. Ne taip paprasta
nustatyti, kokioje būtent vietoje, kaip toli nuo centro ar pakraščio mes
esame. Pirmoji idėja surasti Galaktikos centrą buvo paremta tuo, kad
centras tam ir yra centras, kad jame būtų daugiau negu kur nors kitur
žvaigždžių. Pirmieji, atlikti 1917 metais Šarpli, matavimai parodė, kad
Galaktikos centras yra nuo mūsų keletos Kpc atstume.
Kita idėja buvo paremta žvaigždžių sukimosi apie Galaktikos centrą
santykinių greičių matavimais. Juos nustačius nesunku sužinoti, apie kokį
tašką tos žvaigždės sukasi. Tokiu būdu buvo surasta, kad šis atstumas yra
kiek mažesnis nei 10 Kpc. Tobulėjant matavimų kokybei, dabar apsistota prie
jau minėto 8.5 Kpc dydžio. Šie matavimai davė ir dar kitokios informacijos,
ne tik apie Saulės, bet ir apie kitų Galaktikos žvaigždžių judėjimą.
Pasirodė, kad žvaigždės, esančios pačiame centre, sukasi pagal visas beveik
kieto kūno sukimosi taisykles, tai yra objektai, labiau nutolę nuo centro,
kaip karusėlėje, juda didesniu linijiniu greičiu, taip kad santykinis
esančių Galaktikos branduolyje žvaigždžių judėjimas viena kitos atžvilgiu
yra nežymus. Disko žvaigždžių judėjimo pobūdis yra kiek kitoks. Kadangi jų
sąveika silpna, labiau nuo centro nutolę žvaigždės juda lėčiau, panašiai
kaip planetos, pagal Keplerio dėsnius. Tai yra viena iš priežasčių,
sukeliančių Galaktikos vijų deformacijas.
Paukščių Tako masei surasti reikia vėlgi kiek pagudrauti. Pirmiausia,
žinant Galaktikos matmenis ir žvaigždžių tankumą Saulės aplinkoje, galima
gauti pirmąjį įvertinimą. Jis, aišku, nėra labai tikslus, nes žvaigždės
pasiskirstę ne homogeniškai, jų tankis įvairiuose taškuose yra skirtingas.
Geresnė yra idėja, kad pakraščio žvaigždėms, judančioms pagal Keplerio
dėsnius, galioja tie patys sąryšiai, kaip planetoms, pagal kurių judėjimo
pobūdį matavome Saulės (šiuo atveju galime matuoti Galaktikos branduolio)
masę. Šiuo būdu gaunamas rezultatas, kiek mažesnis už realų, nes Saulės
judėjimą įtakoja tik jos orbitos viduje esančios žvaigždės.
Baigiant piešti Paukščių Tako portretą, reikia paminėti ir tarpžvaigždinę
aplinką. Daug kur pasebėti tankūs dujų ir dulkių debesys, užpildantys erdvę
tarp žvaigždžių. Nustatyta, kad jie sudaro apie 10 – 15 % Galaktikos disko
masės. Žvaigždžių šviesa, plintanti per tokią aplinką, tampa blausesnė arba
yra beveik visai sugeriama. Šis reiškinys vadinamas tarpžvaigždine
ekstinkcija. Kaip jau anksčiau išnagrinėjome kalbėdami apie Saulės šviesos
plitimą atmosferoje, raudona šviesa tokiu atveju praeina geriau negu
mėlyna, todėl tolimesnės žvaigždės atrodo raudonesnės, negu yra iš tikrųjų.
Jei į šį reiškinį deramai neatsižvelgiama, jis kiek iškraipo minėtų
matavimų rezultatus. Patys debesys, kurie daugumoje yra ne kas kita, o
atliekos, atsirandančios galutinai sudegus ir gal susprogus senoms
žvaigždėms, yra kartu ir labia svarbi žaliava susidaryti naujoms
žvaigždėms. Taigi, jų rolę formuojantis vis naujoms ir naujoms žvaigždėms
sunku pervertinti. Jie yra labia svarbi Galaktikos sudėtinė dalis.
Tik prieš keletą dešimtmečių pagaliau yra susiformavęs ir šiuolaikinis
Paukščių Tako įvaizdis. Tai yra spiralinė galaktika, kadangi minėtos
spiralinės vijos, nutįstančios į visas puses, turi panašumą į spyruoklę.
Vijų buvimas nereiškia, kad žvaigždės tik jose ir išsidėstę; pakankamai
daug žvaigždžių yra ir srityse tarp vijų, tik kiek skiriasi jų kokybė.
Priežastis ta, kad vijos yra būtent tos sritys, kuriose yra daugiausia
tarpžvaigždinių dujų ir dulkių, todėl būtent jose yra daugiausia didelio
ryškio jaunų O ir B klasės žvaigždžių. Srityse tarp vijų randasi senesnės,
ne tokios ryškios žvaigždės, todėl, nors jų ir daug, minėta spiralinė
struktūra lengvai pastebima.
Paslaptingiausia Paukščių Tako sritis, be jokios abejonės, yra jo centras,
kuriame randasi dauguma žvaigždžių, o jos stebėjimas labiausiai apsunkintas
minėtų dujų ir dulkių debesų. Vis tik nustatyta, kad jį sudaro sąlyginai
senos ir nedidelio šviesio žvaigždės. Dėl tarpžvaigždinės ekstinkcijos šios
srities stebėjimas matomos šviesos diapazone yra apsunkintas, tačiau
infraraudonųjų arba radio bangų diapazonuose jis yra visai pakenčiamas. Šie
stebėjimai rodo, kad Galaktikos centre vyksta išties keisti įvykiai.
Nustatytas žymus turbulentinis debesų judėjimas centro aplinkoje, o taip
pat didelės masės, dideliu greičiu besiveržiančios į išorę. Iš kitos pusės,
centre surastas kažkoks paslaptingas objektas, spinduliuojantis nenormaliai
daug rentgeno spindulių. Jis yra maždaug vieno parseko diametro, tačiau jo
masė vertinama kaip lygi milijonui Saulės masių, nes besisukantys
artimiausioje jo aplinkoje debesys, senos šaltos žvaigždės ir kiti kūnai
juda beveik pagal Keplerio dėsnius. Tai yra arba koks tai naujo tipo
objektas, arba, kas labiausiai tikėtina, didelė juodoji skylė, ryjanti iš
aplinkos didžiuliu greičiu mases ir todėl taip intensyviai spinduliuojanti.
Tai, kas minėta, irgi dar ne viskas. Pastaruoju metu aktyviai diskutuojamas
Galaktikos halo (tamsiojo vainiko) klausimas. Kai kurie matavimai rodo, kad
nemaža, o gal ir žymi (ekstremistai ją vertina iki 90 %) dalis galaktikų
masės yra sukoncentruota ne diske ar centre, o jų išorėje, kuri Paukščių
Takui galėtų būti išplitusi į visas puses iki 100 Kpc diametro. Būtent tai
ir vadinama halo, būtent šios srities savybių tyrimas yra viena įdomesnių
šiuolaikinių astrofizikos problemų.
Dar iki antrojo mūsų amžiaus dešimtmečio buvo manoma, kad Paukščių Takas
yra vienintelė struktūra astronominėje visatoje, o stebimi ūkai yra jo
sudėtinės dalys. Gali būti, kad čia vėl pasireiškė amžinas žmonijos noras
bent kuo išsiskirti Visatoje, kuriam niekaip nelemta išsipildyti. Kaip
matėme, nei Lietuva, nei Žemė, nei Saulė niekuo neišsiskiria tarp kitų
panašių objektų. Tas pats ir su mūsų Galaktika. Blankūs neaiškios formos
objektai, išbarstyti šen bei ten erdvėje, kai kurie matomi plika akimi,
pasirodė esą ne Paukščių Tako sudedamosios dalys, o esantys labai toli už
Galaktikos ribų objektai. Kadangi jų spektrų pobūdžiai yra visai kitokie,
nei pavienių žvaigždžių, jie identifikuojami tik kaip tolimos galaktikos.
Edvinas Hablas tai įrodė 1924 metais, suradęs cefeides Andromedos ūke,
nustatęs jų dažnius, tuo pačiu ir absoliučiuosius ryškius bei apskaičiavęs
atstumus ir šį ūką “pavertęs” galaktika.
Po šio atradimo Hablas pradėjo labai sistemingas galaktikų paieškas ir
studijas. Reikia pastebėti, kad Hablas, kaip ir savo laiku Galilėjus,
turėjo unikalų savo laikmečiui teleskopą. Tai buvo Maunt Vilson
observatorijos 100 colių teleskopas, didesnio diametro už tą, kuris veikia
Molėtų observatorijoje. Protingas mokslininkas, turintis unikalų prietaisą,
gali nugriauti kalnus! Taip įvyko ne tik šiuos du kartus, yra ir kitų
panašių atvejų, tik ne taip tiesiogiai surištų su astronomija.
Pirmiausia Hablas nustatė, kad galaktikos grubiai gali būti suskirstytos į
dvi dideles klases – eliptines ir spiralines galaktikas. Pirmąsias jis
pažymėjo raide E ir vienu sveiku skaičiumi, rodančiu galaktikos ištęstumo
laipsnį: E0 reiškia visiškai sferišką, o E7 – suplotą kaip diskas
galaktiką. Spiralinės galaktikos žymimos raide S.
Pav. 11.2. Keleta spiralinių galaktikų.
Toliau jos skyla į dvi klases – pirmąją (S) su normaliomis vijomis, kuri
turi dar tris tipus – Sa, Sb ir Sc pagal savo branduolio dydį mažėjimo
tvarka, ir antrąją klasę – su skerse (SB – spiral galaxie with barred
spirals) taip pat su trimis tipais pagal branduolio dydį – SBa, SBb ir SBc.

Pav. 11.3. Spiralinės galaktikos su skerse.
Spiralinė galaktika, turinti tik branduolį ir diską, bet be rankovių,
žymima S0. Manoma, kad Paukščių Takas yra Sb tipo galaktika. Nedidelis
kiekis galaktikų netilpo į jokias klases, jos klasifikuojamos kaip
nereguliarios I arba II tipo galaktikos, žymimos Ir I arba Ir II
(Irregulars). Kaip tyčia, dvi artimiausios galaktikos – Didysis ir Mažasis
Magelano Debesys yra būtent netaisyklingosios, Ir I tipo.
Pav. 11.4. Netaisyklingosios galaktikos.
Ryškiausioji mūsų galaktikų grupei priklausanti galaktika – Andromedos
galaktika – yra panaši į Paukščių Taką, tai yra Sb tipo galaktika, tik kiek
didesnė.
Pav. 11.5. Andromedos ūko galaktika.
Atstumai iki šių nelabai tolimų galaktikų (iki milijonų parsekų, 1 Mpc =
1000 Kpc) gali būti matuojami minėtu cefeidžių dažnių registravimo metodu.
Daug galaktikų, deja, yra ir dar tolesnėse srityse. Jose išskirti cefeides
darosi jau nebeįmanoma, todėl buvo sugalvoti dar rafinuotesni atstumų
matavimo būdai. Pirmasis paremtas tuo, kad pačios šviesiausios žvaigždės
yra vienodos visose galaktikose, nes, kaip ir visų žvaigždžių, taip ir jų,
švytėjimas paremtas tais pačiais fizikos dėsniais ir procesais, turinčiais
natūralias galingumo ribas. Tokios žvaigždės yra žymiai ryškesnės už
cefeides, todėl jas galima išskirti galaktikose, nutolusiose iki dešimčių
Mpc. Kai ir šito nebeužtenka, tenka griebtis dar egzotiškesnių objektų –
supernovų, tai yra sprogstančių pasenusių žvaigždžių, kurių ryškis gali
būti dar didesnis. Deja, tai yra reti įvykiai, ir ne visose galaktikose jie
stebėjimo momentu vyksta. Paskutinis tokio tipo būdas itin dideliems
atstumams matuoti paremtas idėja, kad galaktikų spiečiuose ryškiausios
galaktikos turėtų būti panašaus galingumo. Suradus tokias, galima bent jau
palyginti atstumus iki atskirų spiečių.
Šiuo metu yra neblogai ištyrinėtos įvairiausių galaktikų, kurių yra
nesuskaičiuojama daugybė, savybės. Galaktika, kaip matėme, yra vienas iš
esminių Visatos struktūros elementų. Pačios galaktikos, kaip pastebėta,
linkę jungtis, kaip ir žvaigždės, į grupes, vadinamas spiečiais. Spiečiai
savo ruožtu sudaro superspiečius, o visa stambioji Visatos struktūra atrodo
panaši į kempinę ar muilo putas, tai yra struktūras, turinčias viduje
sferines tuštumas iki 100 Mpc diametro. Susidaro įspūdis, lyg tai tų
tuštumų viduje kadais buvo kažkas susprogdinta, ir tų sprogimų liekanos
(galaktikos) išsilakstė į visas puses.
Pav. 11.6. Stambioji Visatos struktūra.
Paukščių Takas priklauso taip vadinamai Vietinei galaktikų grupei,
jungiančiai maždaug 30 galaktikų.
Pav. 11.7. Vietinės galaktikų grupės žemėlapis.
Tiksliai nustatyti jų skaičių sunku, nes egzistuoja tam tikra stebėjimų iš
Žemės specifika, pasireiškianti tuo, kad dujų ir dulkių debesys,
sukoncentruoti Galaktikos disko aplinkoje, labai absorbuoja sklindančią
šviesą. Dėl šios priežasties daugiausia galaktikų stebima kryptimi,
statmena Paukščių Tako disko plokštumai, gi kryptimis, lygiagrečiomis jai,
galaktikų pamatyti neįmanoma. Apie jų buvimą ten galima spręsti tik
remiantis analogijomis. Kadangi mūsų Galaktika niekuo neišsiskiria, tai
neturėtų būti kokių nors netikėtumų, nes ji negali ženkliai įtakoti visos
Visatos savybių. Ryškiausios Vietinės grupės galaktikos yra jau žinomas
Andromedos Ūkas ir Paukščių Takas. Atstumas iki Andromedos Ūko įvertintas
apie 700 Kpc. Abu Magelano debesys, matomi iš pietų pusrutulio, todėl
pirmiausia pastebėti Magelano ekspedicijos keliauninkų, yra Paukščių Tako
palydovai, esantys tarp 50 ir 65 Kpc atstumuose. Andromedos ūkas yra
tolimiausias objektas, matomas plika akimi.
Svarbiausia išvada, kurią galima padaryti iš Hablo ir vėlesnių galaktikų
pasiskirstymo Visatoje stebėjimų, yra ta, kad bet kokia matomosios Visatos
dalis yra tokia pati kaip kitos ir jokios galaktikų supersistemos,
atskirtos nuo likusio pasaulio, neegzistuoja. Matyt, toks pat neunikalus
yra ir gyvybės egzistavimas Žemėje.

Klausimai

1. Kas tai yra cefeidės?

2. Kas tai yra ūkas?

3. Kokios pagrindinės galaktikų klasės?

4. Tarpgalaktinių atstumų matavimo metodai?

5. Koks objektas galėtų būti mūsų Galaktikos centre?

12. Visatos struktūra ir laiko istorija

Viskas, apie ką mes iki šiol kalbėjome esant Visatoje, pradedant nuo
mažiausių ir baigiant didžiausiais jos dariniais, jei pastebėjote, juda ir
evoliucionuoja. Nėra nė vieno sustingusio arba sustabarėjusio, vieną kartą
visiems laikams pagaminto, užvesto ir paleisto, arba tuo labiau nuolatos
varomo ar raginamo judėti objekto. Judėjimas yra natūrali šios sistemos
būsena. Jeigu pabandytume sustabdyti ir užfiksuoti planetas, žvaigždes ar
galaktikas, jas laikyti rimties būsenoje reikėtų neįsivaizduojamų pastangų,
o paleistos jos vėl pradėtų judėti kaip judėję. Šio judėjimo “variklis” yra
gravitacinė sąveika, veikianti tarp bet kokių kūnų. Dėl šios sąveikos,
materijos struktūros ypatybių ir savo prigimties Visata vadinama dinamine.
Kaip matėme, ta pati sąveika, priklausomai nuo gravituojančios sistemos
pobūdžio ar dydžio ir kitų sąveikų bei įvairių virsmų buvimo gali sukelti
įvairiausio pobūdžio judėjimus. Pavyzdžiui, ji suspaudžia materiją į
juodąją skylę, išlaiko neutronus neutroninėje ir atomų branduolius
degančioje žvaigždėje, fiksuoja planetas jų orbitose, valdo žvaigždžių
judėjimus galaktikose bei chaotišką galaktikų judėjimą galaktikų
spiečiuose. Yra tačiau dar vienas, bene mažiausiai lauktas, nei graikų, nei
Kanto nenuspėtas ir niekaip iš šventųjų raštų neišprotaujamas galaktikų
judėjimo pobūdis, surastas E.Hablo 1929 metais. Tai – nuolatinis Visatos
plėtimasis.
Jei atsimenate, Doplerio efektas teigia, kad judančio šaltinio spektras,
priklausomai nuo judėjimo imtuvo atžvilgiu krypties, gali būti pastumtas į
raudonąją, jei atstumas didėja, ir mėlynąją, jei jis mažėja, pusę. Po to,
kai Hablas suklasifikavo galaktikas pagal jų išvaizdą, jis pradėjo matuoti
ir tyrinėti jų spektrus. Pasirodė, kad beveik visų galaktikų spektrai
pasistūmę į vieną ar kitą pusę. Daugumos tie poslinkiai buvo raudonieji,
tik vienos – kitos galaktikos – mėlynieji. Kaupiantis statistikai pradėjo
ryškėti, kad mėlynieji poslinkiai būdingi tik pačioms šviesiausioms, taigi
ir artimiausioms, priklausančioms Artimąjai Grupei, galaktikoms, ir gali
būti beveik pilnai paaiškinti Saulės judėjimu apie Paukščių Tako centrą.
Visų kitų galaktikų spektrai turėjo būdingus raudonuosius poslinkius, tai
yra jos tolo nuo Žemės! Žemė arba bent jau Saulė, ar galų gale Paukščių
Takas vėl tapo Visatos centru? Deja, ne. Pabandykime tai išsiaiškinti.
Patys raudonieji poslinkiai dar nieko per daug nereiškė. Jie kai kurioms
galaktikoms buvo išmatuoti dar prieš Hablą. Nauja buvo tai, kad Hablas,
įvertinęs pagal cefeidžių ryškius, supernovas arba ryškiausias žvaigždes
dar ir atstumus iki atitinkamų galaktikų bei nusibraižęs grafiką, kurio
vienoje ašyje buvo atidėti šie atstumai, o kitoje – raudonieji poslinkiai
arba proporcingi jiems galaktikų judėjimo greičiai, pamatė, kad stebėtos
galaktikos grafike, panašiai kaip ir Hercšprungo – Rasselio diagramoje,
sugulė beveik tiksliai ant tiesės. Antrą kartą skurdi informacija apie
Visatą pasitarnavo gilioms išvadoms.
Pav. 12.1. Hablo diagrama.
Šį kartą tai reiškė, kad galaktikos tolimo nuo mūsų greitis yra tiesiog
proporcingas jos atstumui nuo Žemės (Saulės ar gal ir Paukščių Tako, nes
atstumai tarp galaktikų tokie dideli, kad šie smulkūs skirtumai jokios
rolės nevaidina), tai yra, kad

v = H ( r ,

kur H yra taip vadinama Hablo konstanta, v – minėtas greitis, o r –
atstumas.
Prieš keletą metų tas pats Hablas buvo suradęs, kad galaktikos beveik
tolygiai išsidėstę Visatoje. Šis įrodymas paremtas tokia gražia ir taip
lengvai patikrinama idėja, kad tiesiog negaliu apeiti jo nepaminėjęs.
Tarkime, kad visos galaktikos yra visiškai vienodos, ir jų spindesiai lygūs
L, o jų skaičius įsivaizduojamame rutulyje, kurio spindulys R, yra lygus N.
Kadangi to rutulio tūris yra V = 4/3(R3 , tai galaktikų, esančių tame
rutulyje, tankis yra

( = N/V.

Pabandykime panagrinėti, kokios išvados galėtų sekti iš prielaidos, kad šis
tankis yra pastovus visur Visatoje. Tarkime, turime prietaisą, kurio
minimalus energijos srauto tankis, būtinas stebėti kokiai nors galaktikai,
yra l. Aišku, kad tuo prietaisu matysime ne visas galaktikas, o tik tas,
kurios yra ne toliau negu atstumu R0, nes, kad pastebėtume tokią galaktiką,

L/ R02 turi būti ne mažesnis už l. Taigi, stebėdami šiuo prietaisu visomis
kryptimis, pamatysime tik N0 = ( *4/3(R03 galaktikų. Iš kitos pusės,
kadangi R02 = L/l, galime surasti, kad

N0 = 4/3((L3/2 / l3/2.

Svarbiausias šioje išraiškoje yra paskutinysis narys, nes tik jis
charakterizuoja stebėjimo prietaisą. Kokios bebūtų tos galaktikos,
charakterizuojamos spindesiu L, kokiu tankiu ( jos bebūtų pasiskirstę
erdvėje ir netgi kokiame erdviniame kampe beatliktume stebėjimus, vistiek
aptinkamų tuo prietaisu galaktikų skaičius bus proporcingas l-3/2.
Tai reiškia, kad patobulinę prietaisą taip, kad galėtume, tarkime,
pastebėti keturis kartus blyškesnes galaktikas, tai yra kad naujasis l būtų
keturis kartus mažesnis už ankstesnįjį, turėtume toje pačioje erdvės
srityje pamatyti aštuonis kartus daugiau galaktikų, kadangi (l/4)-3/2=8*l-
3/2. Eksperimentai šią išvadą nuolatos patvirtina, o tai reiškia, kad
Visata visur yra tokia pati, ir plečiant regėjimo lauką nematoma nei kokia
nors jos pabaiga, nei kokia nors riba, nei kokie bebūtų nehomogeniškumai.
Kaip tai suderinama su jos nuolatiniu plėtimusi?
Sugalvota keleta itin vaizdžių analogijų, padedančių išsiaiškinti Visatos
plėtimosi, nepažeidžiančio išvados apie jos homogeniškumą, ypatybes. Pati
patraukliausia atrodo Visatos analogija su mielinės tešlos, kurioje
tolygiai pasiskirstę razinos, augimo procesu.
Pav. 12.2. Mielinės tešlos su razinomis augimo dinamika.
Tarkime, kad iš pradžių visos razinos išdėstytos tešloje 1 centimetro
kubelių viršūnėse, tai yra taip, kad mažiausias atstumas tarp bet kokių
dviejų razinų lygus 1 centimetrui. Įsivaizduokite, kas darosi tešlai po
valandos išaugus iki tūrio, kai tas atstumas padvigubėja. Razinos, kurios
iš pradžių buvo viena nuo kitos 2 cm atstume, dabar atsiras 4 cm atstume,
gi tos, tarp kurių atstumas buvo lygus 3 cm, atsidurs 6 cm atstume ir taip
toliau. Tai reiškia, kad tokioje tešloje atstumas tarp bet kokių dviejų
razinų po valandos padvigubėja, tai yra jų tarpusavio judėjimo greitis
proporcingas atstumui tarp jų! Dar daugiau, tas pats vaizdas matosi žiūrint
iš bet kurios razinos, visos kitos tolsta nuo pastarosios pagal tą patį
dėsnį. Tešla visą laiką yra homogeninė, tik jos tankis tolydžio mažėja.
Įsivaizduokime dabar, kad razinas sutapatiname su galaktikomis. Gaunasi
išvados, neprieštaraujančios jokių stebėjimų rezultatams. Jokia galaktika
negali būti Visatos centras, iš visų jų matosi tas pats vaizdas, – visos
kitos tolsta greičiais, proporcingais atstumams. Tik tokio judėjimo metu
Visata visą laiką yra homogeninė ir surasti jos centro neįmanoma. Taigi,
mes vėl atsiduriame toli gražu ne Visatos centre. Daug tyrinėtojų po Hablo
įvairiausiais teleskopais tyrinėjo vis tolesnes ir tolesnes galaktikas.
Šiuo metu jau ištyrinėta Visatos sritis, kurios tūris šimtus milijonų kartų
didesnis už Hablo ištyrinėtos srities tūrį. Surastieji lokaliniai
netolygumai kiek paįvairina bendrą įspūdį apie Visatą, tačiau jokio
pagrindo tikėtis kokių nors išimčių iš šio dėsnio nerasta – visų tolimesnių
galaktikų judėjimo greičiai proporcingi atstumams iki jų.
Bėgant laikui dramatiškai keitėsi tik Hablo konstantos vertė. Kad Hablo
konstanta būtų išreiškiama paprastai suvokiamu dydžiu, be dešimčių
įvairiausiuose dideliuose laipsniuose, ji matuojama kilometrų per sekundę
vienam megaparsekui vienetais, nors kilometrai, kaip ir parsekai, yra ilgio
vienetai ir parinkus vienodą mastelį (pavyzdžiui, parsekus išreiškus
kilometrais) galėtų susiprastinti. Pats Hablas 1929 metais, kai labai
apytikriai buvo išmatuoti atstumai tik iki 22 arčiausiųjų galaktikų ar jų
grupių, įvertino, kad ji lygi 540, tuo tarpu šiuo metu dar kiek
diskutuojama, ar jos reikšmė artimesnė 50, ar 100. Tokia didelė Hablo
matavimų paklaida paaiškinama žemu tų laikų tikslumu nustatant standartinių
žvakių (cefeidžių, supernovų arba ryškiausių galaktikų žvaigždžių) šviesius
ir kalibruojant atstumus. Kaip matote, dar ir dabar tai yra nemaža
problema, nes tikimos vertės skiriasi du kartus. Tarkime, Hablo konstanta
lygi 75 km per sekundę / Mpc. Tai reiškia, kad galaktika, esanti nuo
Paukščių Tako 1 Mpc atstume, tolsta 75 km per sekundę greičiu, galaktika,
esanti 2 Mpc atstume – 150 km per sekundę greičiu ir taip toliau.
Pav. 12.3. Visatos masteliai ir atstumų matavimo metodų palyginimas.
Hablo konstantos vertė labai svarbi kosmologijai, nes ji duoda supratimą
apie Visatos istoriją o gal net ir jos prigimtį. Jeigu Visata šiuo metu
plečiasi, tai reiškia, kad anksčiau ji buvo mažesnių matmenų. Toliau galimi
du scenarijai. Vienas – kad ji pulsuoja apie kažkokią pusiausvyros padėtį,
ir antras – kad ji plečiasi nuo pat savo gimimo. Jei pastarasis scenarijus
būtų įtikėtinas, tai leidus, kad Visata visą tą laiką plečiasi vienodu, tuo
pačiu kaip dabar, greičiu, jos gyvavimo laiką galima lengvai išreikšti per
Hablo konstantą, nes laikas lygus atstumui, padalintam iš greičio, tai yra

T = r / v = r / ( H( r) = 1 / H .

Tai reiškia, kad atvirkščias Hablo konstantai dydis gali charakterizuoti
Visatos plėtimosi laiką. Būtent tik charakterizuoti, nes jei Visata plėtėsi
iš taško (ar taškų), tai pradiniais momentais jos plėtimosi greitis turėjo
būti žymiai didesnis, o gyvavimo laikas – trumpesnis už gaunamą iš šios
formulės.
Mūsų priimtai Hablo konstantos vertei, lygiai 75 km per sekundę / Mpc,
Visatos amžius gaunasi lygus 4.6(1017 sekundžių arba apie 15 milijardų
metų. Ši vertė ne tik labai artima visai neseniai dar kartą patikslintam
Visatos amžiui, dabar jau lygiam 13.7 milijardo metų, bet ir neprieštarauja
žinomam Saulės amžiui, lygiam 4.5 milijardo metų, arba seniausiųjų spiečių
amžiui, sudarančiam maždaug nuo 12 iki 18 milijardų metų. Didesnės Hablo
konstantos vertės nesiderina su šiais duomenimis. Pavyzdžiui, pradinė
vertė, lygi 540, duoda Visatos amžių, mažesnį nei 2 milijardus metų, kuris
akivaizdžiai prieštarauja minėtiems duomenims.
Tiksli Hablo konstantos vertė, jei ji žinoma, taip pat gali būti
panaudojama surasti atstumams iki galaktikų pagal jų raudonuosius
poslinkius, kuriuos matuoti nėra labai sudėtinga. Tai būtų vienas iš pačių
efektingiausių ir tiksliausių didžiulių atstumų matavimo metodų.
Tai, kad Visata galėjo atsirasti praktiškai iš nieko, tai yra iš taškų,
kuriuose susikaupė kažkokios energijos fluktuacijos, yra vadinama Didžiojo
Sprogimo scenarijumi. Nežiūrint viso keistumo, jis nelabai prieštarauja nei
kvantinei mechanikai, nei reliatyvumo teorijai. Dar daugiau – yra surastas
vadinamasis reliktinis spinduliavimas, kuris patvirtina šią hipotezę.
Vėliau šį scenarijų panagrinėsime kiek nuodugniau, dabar pabandykime
susigaudyti reliktiniame spinduliavime. Jeigu Visata kažkada užėmė labai
mažą tūrį ir sugebėjo išplisti iki dabartinių matmenų, tai ji pradiniais
momentais turėjo būti labai karšta. Kūno temperatūra, kaip žinote, reiškia
didelę jį sudarančių dalelių kinetinę energiją. Grubiai tariant, energija
ir temperatūra surištos paprasta tiesine priklausomybe:

E = k ( T,

kur k yra taip vadinama Bolcmano konstanta, lygi 1.38 ( 10-16 ergų /
laipsniui arba 1/k = 11.6 tūkstančių laipsnių / eV .
Jei dalelių kinetinė energija didelė, susidurdamos jos gali viena kitą
sužadinti. Sužadintos dalelės, grįždamos į normalią būseną, spinduliuoja
fotonus. Kuo didesnė dalelių energija, tuo didesnė ir spinduliuojamų fotonų
energija, tuo trumpesnis tuos fotonus atitinkančios bangos ilgis. Tai
reiškia, kad pradinėje Visatos evoliucijos fazėje ji spinduliavo
trumpiausias elektromagnetines bangas, gama-kvantus. Plečiantis ir dėl to
vėstant Visatai, spinduliuojamų fotonų bangų ilgiai turi tolydžio didėti, o
energijos – mažėti, tačiau toks spinduliavimas visiškai išnykti negali.
Taigi, jis turi egzistuoti ir dabar, atitikdamas realią Visatos
temperatūrą, esančią šiuo metu. Šis spinduliavimas gerai ištyrinėtas
teoriškai, jis turėtų sklisti visiškai vienodai iš visų Visatos taškų, o jo
spektras (intensyvumo priklausomybė nuo fotono bangos ilgio) turėtų turėti
teorijos vienareikšmiškai nusakomą formą. Remdamasis šiais samprotavimais,
G. Gamov (rusas, gyvenęs ir dirbęs Amerikoje) apie 1940 metus teoriškai
nuspėjo šio spinduliavimo buvimą. Deja, tais laikais technikos,
leidžiančios jį užregistruoti, nebuvo. Tik 1964 metais du Bell Telephone
laboratorijos tyrinėtojai, A. Penzias ir R. Wilson, bandydami naują jautrią
radio anteną, visai atsitiktinai atrado ir šį spinduliavimą. Prireikė
būtent radijo antenos, kadangi Visata šiuo metu yra taip atvėsusi, kad šio
reliktinio spinduliavimo fotonai iš gama kvantų jau seniai yra virtę radijo
bangų ilgių fotonais. Svarbūs buvo šio spinduliavimo spektro tyrimai, ir
jie gana greitai po atradimo buvo atlikti. Pasirodė, kad spektro pobūdis
yra būtent toks, kokio reikia reliktiniam spinduliavimui. Kiek netikėta
buvo Visatos temperatūra, lygi 2.7 K arba minus 2700 C. Paties Gamovo
teorinė prognozė buvo apie 25 K, o kiek vėlesnė kitų autorių – apie 5 K.
Šio spinduliavimo fotonų bangos ilgis yra lygus 1.1 mm. Šis spinduliavimas
yra didelė paspirtis Didžiojo Sprogimo teorijai ir sukelia nemažai keblumų
visiems kitiems alternatyviems Visatos atsiradimo ir evoliucijos
scenarijams.
Kaip ir reikalavo teorija, reliktinis spinduliavimas pasirodė besąs
izotropinis, tai yra vienodas visomis kryptimis. Jeigu Visata būtų
nehomogeniška arba nesimetriška, tai turėtų pasireikšti reliktinio
spinduliavimo neizotropiškumu, kurį turėtų būti galima aptikti. Deja, tokie
matavimai yra labai sudėtingi ir naudojant antžeminę techniką ilgą laiką
buvo neįmanomi. Pastaraisiais dešimtmečiais šioks toks, nors ir labai
nežymus, šio spinduliavimo neizotropiškumas vis tik yra aptiktas.
Reziumuojant galime teigti, kad turime tris neblogus įrodymus, kad Visata
gimė būtent Didžiojo Sprogimo metu. Pirmasis yra Hablo aptiktas plėtimasis,
antrasis – Gamovo nuspėtas reliktinis spinduliavimas ir trečiasis –
nustatyti jau anksčiau minėti 25 % helio. Kaip tik toks procentas šio
elemento branduolių gali susidaryti evoliucionuojant karštai Visatai. Šį
faktą nusakė tas pats Gamovas, kuris pagrindinai tyrinėjo branduolines
reakcijas ir buvo pirmasis, sugalvojęs karštos Visatos Didžiojo Sprogimo
scenarijų. Gamovas ir vėliau tuo užsiiminėję kolegos suprato, ką reikia
daryti, norint pažvelgti kuo giliau į Visatos praeitį. Kadangi ir
pradinius, ir dabartinius Visatos evoliucijos etapus pagrindinai
apsprendžia elementariųjų dalelių sąveika, o evoliucijos pradžioje šių
dalelių energija buvo labai didelė, tai spręsti apie jų savybes esant
tokioms sąlygoms galima tik jas sudarius ir patyrinėjus, kaip dalelės tose
sąlygose elgiasi. Būtent tokioms sąlygoms sudaryti ir reikalingi dideli
dalelių greitintuvai, apie kuriuos esu minėjęs. Daleles, pagreitintas
tokiame prietaise iki milijardų elektronvoltų energijų (žymima kaip GeV)
pagal pateiktą energijos ir temperatūros sąryšį atitinka temperatūra, lygi
1013 laipsnių. Tai dar ne Didžiojo Sprogimo pirmųjų momentų temperatūra,
kuri turėtų sudaryti apie 1027 laipsnių, bet jau ir ne tokia tolima nuo
pastarosios. Vėsdama nuo tokių temperatūrų, Visata pamažu įgauna įprastinę
formą, tai yra esant 1013 laipsnių temperatūrai, kuri gali atsirasti
praėjus vienai dešimtmilijoninei sekundės daliai po Didžiojo Sprogimo, iš
kvarkų pradeda susidaryti protonai ir neutronai. Po trijų minučių nuo
minėto momento pagal šį scenarijų Visata atvėsta iki 109 laipsnių ir iš
protonų bei neutronų pradeda susidaryti lengviausieji branduoliai. Būtent
šiuo metu ir gali atsirasti alfa-dalelės, tai yra helio atomo branduoliai,
kurių stebimoje Visatoje yra tiek daug (apie 25 procentus), kad paaiškinti
jų atsiradimą kitaip kaip Visatos praėjimu per šią “karštąją” fazę, beveik
neįmanoma. Praėjus 300 000 metų temperatūra krito iki 3000 laipsnių
Kelvino, o tai reiškė, kad pradėjo formuotis atomai ir kondensuotis
galaktikos. Būtent tuo momentu Visata pasidarė permatoma tam
elektromagnetiniam spinduliavimui, kuris šiuo metu vadinamas reliktiniu,
nes buvę laisvi elektronai, kurie labai sklaidė fotonus, tapo surišti
atomuose ir pradėjo absorbuoti tik tam tikras energijas. Tik nuo šio
momento, kai materija išsilaisvino nuo šviesos “tironijos”, atsirado
galimybė kondensuotis galaktikoms. Būtent šio laikotarpio Visatos
“nuotraukas”, vis senesnes ir senesnes, nuo 1992 metų fotografuoja įvairi
speciali aparatūra. Randamas nedidelis, keletos šimtatūkstantųjų dalių,
reliktinio spinduliavimo nehomogeniškumas. Taigi, Visatoje yra
užregistruotos kiek karštesnės ir kiek šaltesnės sritys. Pastarosios būtent
ir rodo, kuriose vietose tankis pradiniame evoliucijos etape buvo šiek tiek
didesnis nei vidutinis. Kaip tik šiose vietose ir formavosi daugiau pirmųjų
galaktikų. Šiuo metu, praėjus po Didžiojo Sprogimo apie 14 milijardų metų,
Visatos temperatūra lygi jau minėtiems 3 laipsniams Kelvino.
Pav. 12.4. Seniausioji Visatos šviesa – reliktinis spinduliavimas.
Nuotrukoje matosi nedideli šio spinduliavimo nehomogeniškumai (NASA).
Aukšta temperatūra žvaigždėse niekam neprieštarauja, tai yra tik lokalinės
fluktuacijos, nelabai įtakojančios globalines visos sistemos
charakteristikas.
Vis tik, nepaisant šių lokalinių fliuktuacijų, Visata yra homogeninė ir
izotropinė, tai yra tokia pati beveik visuose pakankamai dideliuose tūrio
elementuose ir stebint visomis kryptimis. Ši jos savybė pasireiškia lygčių,
aprašančių vykstančius Visatoje reiškinius, simetrijomis. Kitais žodžiais
tariant, fizikos lygtys, aprašančios izoliuotą sistemą, tokią kaip pavienis
atomas ar Saulės šeima, yra invariantiškos transliacijų ir posūkių erdvėje
atžvilgiu. Praktiškai pirmoji simetrija pasireiškia tuo, kad pernešus tą
atomą ar visą Saulės šeimą į kitą vietą Visatoje, jų savybės turėtų
nepasikeisti, o antroji – kad pasukus šią sistemą savybės taip pat neturi
keistis. Kasdieniniame gyvenime, pavyzdžiui, tai reiškia, kad akmenys tokiu
pat pagreičiu kaip dabar krito ir prieš du šimtus, ir prieš du milijonus
metų, nors Žemė su Saule tais momentais buvo visai kitose Paukščių Tako, o
tuo pačiu ir Visatos, vietose, o taip pat tai, kad stalas dėl Žemės
pasisukimo nepakeičia per naktį savo formos. Taigi, šie judėjimo lygčių ir
Visatos invariantiškumai yra tiesiogiai surišti ir seka vienas iš kito. Jie
neblogai patikrinti eksperimentiškai, nes pasiekianti iš Visatos
informacija, atnešama šviesos, byloja būtent apie tai, kad įvairiose
vietose atomai yra visai tokie patys, kaip ir Žemėje, Saulėje ar kur kitur
artimiausioje mūsų aplinkoje.
Stebuklingiausia Visatoje yra tai, kad kažkokiomis tai lygtimis, kuriose
yra tik skaičiukai ar raidytės, iš viso galima aprašyti gamtos reiškinius.
Antrasis stebuklas yra tas, kurį šio amžiaus pradžioje (1918 metais) įrodė
matematikė E. Noether. Ji ne šiaip sau išfilosofavo, o griežtai ir
įtikinamai matematiškai pademonstravo, kad kiekviena tokia simetrija yra
surišta su kokiu nors tvermės dėsniu.
Pasirodė, kad Visatos homogeniškumas, pasireiškiantis judėjimo lygčių
transliaciniu invariantiškumu (tai yra invariantiškumu pernešimo erdvėje
atžvilgiu), yra judesio kiekio tvermės priežastis. Analogiškai Visatos
izotropiškumas (vienodumas stebint visomis kryptimis) pasireiškia judėjimo
lygčių invariantiškumu posūkių atžvilgiu ir yra judesio kiekio momento
tvermės dėsnio priežastimi. Sunku net įsivaizduoti, koks būtų mūsų
gyvenimas, jei negaliotų šie tvermės dėsniai. Iš šių rezultatų seka iš
viso stulbinanti išvada, kad Visatos struktūrą galima tirti stebint pavienį
atomą arba kokią elementarią dalelę. Bet kokie šių tvermės dėsnių
pažeidimai tame atome ar dalelėje gali būti sąlygoti tik nukrypimais nuo
Visatos homogeniškumo arba izotropiškumo. Deja, tai kol kas nestebėta nei
makro, nei mikro pasauliuose. Tai ir yra vienas iš Visatos įtakos mūsų
gyvenimui pasireiškimų. Jei kas nors pasikeistų ir būtų ne taip, kaip yra,
Visatoje, tai tuoj pat labai ryškiai pasireikštų mūsų kasdieniniame
gyvenime. Gali būti, kad tokiu atveju daug kas, tame tarpe ir mes patys, iš
viso negalėtume egzistuoti.
Gal būt kai kam jau kilo klausimas, su kokia Visatos simetrija surištas
energijos tvermės dėsnis. Ta pati E.Noether yra įrodžiusi, kad jis seka iš
Visatos laiko homogeniškumo. Ir klasikinės Niutono, ir kvantinės
Šrėdingerio lygtys yra invariantiškos laiko transliacijų atžvilgiu, tai yra
ta pati uždara sistema, esanti toje pačioje vietoje, įvairiais laiko
momentais evoliucionuoja vienodai, tai reiškia, yra aprašoma visiškai ta
pačia lygtimi, o esant toms pačioms pradinėms sąlygoms – ir tais pačiais
sprendiniais, nepriklausančiais nuo laiko atskaitos taško. Niutono lygtys,
parašytos prieš tris šimtus metų, aprašo šiandieninį Mėnulio judėjimą taip
pat gerai, kaip ir anais laikais. Jeigu Visatos savybės kaip nors
pasikeistų, ir laikas taptų nehomogeniškas, tai iš karto pasireikštų netgi
paprasčiausiuose buitiniuose reiškiniuose, nes nustotų galioti energijos
tvermės dėsnis. Yra ir kitokių tvermės dėsnių, pavyzdžiui, krūvio,
barijoninio krūvio, keistumo ir panašių kitų, kurių ryšys su Visatos
simetrijomis kol kas nėra toks akivaizdus.
Reikia paminėti ir dar vieną laiko savybę, tai yra jo neizoptropiškumą,
pasireiškiantį tuo, kad mes prisimename praeitį, bet negalime prisiminti
ateities, negalime nieko pakeisti praeityje, bet esame beveik visagaliai
planuodami savo bent jau artimiausią ateitį. Greta šio visiškai akivaizdaus
laiko nesimetriškumo ilgą laiką gana keistai atrodė klasikinės Niutono
lygtys, kurios yra simetriškos laiko apgręžimo atžvilgiu. Klasikinėje
fizikoje kai kuriais atvejais tokia simetrija nėra keista, nes du
susiduriantys bilijardo rutuliai, jei juos nufilmuotume, o po to filmą
paleistume į atvirkščią pusę, atrodytų judantys visai natūraliai. Kitaip
būtų su filmu, kuriame užfiksuotas kiaušinio kritimas arba žmogaus
gyvenimas, todėl akivaizdu, kad klasikinės lygtys tinka toli gražu ne
visiems procesams aprašyti. Tarp kitko, jos negali aprašyti nei Visatos
vystymosi, nei mikroskopinių procesų, kurie atsakingi ir už gyvybės
atsiradimą. Šiuo metu jau galutinai aišku, kad visi fundamentalūs procesai
Visatoje turi kvantinę prigimtį, tai reiškia, jie gali būti aprašomi tik
Šrėdingerio lygtimi, kuri šios prieštaraujančios sveikam protui simetrijos
neturi. Jos sprendiniai, atitinkantys priešingas laiko tekėjimo kryptis,
yra skirtingi. Tai išsprendžia vieną sudėtingiausių Visatos paradoksų,
susijusių su laiko neizotropiškumu.
Galų gale, kvantinė mechanika sudaro galimybes išspresti ir dar vieną
kosmologijos paradoksą, susijusį su įvykių determinizmu. Jeigu Visata
vystytūsi pagal klasikinės mechanikos dėsnius, kaip ilgą laiką atrodė, tai
Niutono lygtys Visatai, uždavus tam tikras pradines sąlygas bet kuriuo
laisvai pasirinktu momentu, turėtų aprašyti visą vėlesnę jos evoliuciją,
įskaitant ir tai, kur kiekvienas iš mūsų rytoj pietaus. Akivaizdu, kad tai
yra nesamonė, tokiu būdu gyvybės atsiradimas Visatoje iš viso būtų
neįmanomas; be to, kiekvieno mūsų valia kiekvienu momentu leidžia
nukrypimus nuo šių dėsnių prognozuojamų rezultatų, todėl jie darosi iš viso
beprasmiai. Kitaip visa tai atrodo, jei reikalai vystosi pagal kvantinės
mechanikos dėsnius – tik tokiu atveju Heizenbergo neapibrėžtumo principas
leidžia realizuotis įvairiausioms galimybėms ir sudaro bazę atsirasti
tokiai stebuklingai fliuktuacijai, kaip gyvybė su visomis iš to
išplaukiančiomis pasekmėmis.
Galų gale, pagal Bendrąją reliatyvumo teoriją, masių pasiskirstymas
erdvėje, tos erdvės savybės ir laiko tėkmė joje yra tarpusavy tampriai
susiję. Tai nėra tik teoriniai samprotavimai. Jei neatsižvelgiama į laiko
tėkmės pokyčius įvairiuose atstumuose nuo Žemės, puikiai jau veikianti
Globalinio Pozicionavimo Sistema nustato įvairių kūnų, esančių Žemės
paviršiuje, koordinates su šimtus kartų didesnėmis paklaidomis. Ši išvada
reiškia, kad laikas galėjo pradėti “eiti” tik po Didžiojo Sprogimo, tai yra
tik tada, kai pradėjo materializuotis ta paslaptinga energija, kuri
ilgainiui sukūrė visą Visatą.
Taigi, ratas užsidarė. Visata yra labai harmoninga ir vientisa sistema,
kurioje globalines savybes apsprendžia smulkiausios sudedamosios dalelės ir
atvirkščiai. Tuo ji ir yra panaši į gyvą organizmą, besivystantį pagal
dėsnius, kurių dauguma jau yra mums žinoma, bet dar nemažai kas ir neaišku.
Samprotavimai apie tai, kas buvo iki Didžiojo Sprogimo, yra dar tik
pradinėse stadijose. Jie labai spekuliatyvūs ir specifiniai, reikalaujantys
gilių profesionalių žinių ir fantazijos, todėl juos čia paaiškinti būtų
itin sunku. Prie šių momentų scenarijų neapsistosime, tuo labiau kad prieš
šį įvykį, jei Didžiojo Sprogimo hipotezė atitinka realybę, ir pats laiko
skaičiavimas neturėjo jokios prasmės. Įdomesnė ir kiek paprastesnė yra
Visatos ateities samprata. Nustatyta, kad jei Visatos tankis (kuris
tiksliai nežinomas) yra mažesnis už tam tikrą dydį, tai jos laukia
nuolatinis plėtimasis, kurio gravitacinė sąveika sustabdyti dėl per mažos
masės yra nepajėgi. Jeigu gi šis tankis pakankamas arba didesnis už tą
kritinę vertę, tai Visata tam tikru momentu turėtų sustoti plėtusis ir
pradėti trauktis iki Didžiojo Sutriuškinimo, po to vėl iš naujo sprogti,
plėstis ir taip toliau, tai yra plakti kaip didelė širdis. Matoma Visatos
masė yra per maža, kad reikalai klostytūsi būtent taip, tačiau nustatyta,
kad nuo 90 iki 99 procentų Visatos masės sudaro nematomoji medžiaga. Jei
pasirodys, kad šis procentas yra artimesnis viršutinei ribai, tai toks
vystymosi scenarijus būtų labai įtikimas. Laimė tik ta, kad bet kuriuo
atveju nei mes, nei jokia suskaičiuojama mūsų vaikaičių karta neturėtų būti
tokių įvykių liudininkais.

Klausimai

1. Hablo formulė, nusakanti Visatos plėtimosi charakterį:

2. Tolimiausias objektas, matomas plika akimi:

3. Dabartinė Visatos temperatūra (Celsijaus skalės laipsniais):

4. Kaip Visatoje atsiranda elementai, sunkesni už geležį?

13. Visata ir gyvybė

Vienintelė moksliškai pagrįsta išvada, kuri seka iš mūsų pažinties su
Visata, yra ta, kad ir Žemė, ir žmonės, ir visa kita, kas yra šalia mūsų
arba egzistuoja nepriklausomai nuo mūsų, bet gali būti suvokta, yra Visatos
produktai ir jos sudėtinės dalys. Panašiai kaip kadaise vienas žmogus,
žvilgtelėjęs iš kosmoso į Žemę kiek kitomis akimis suprato, jog tai yra
vienas vientisas kamuoliuko pavidalo organizmas, taip ir Visata, matyt, yra
vientisa ir harmoninga. Taigi, ji labiau panaši į augantį, besivystantį
gyvą padarą, negu į kokią mechaninę sistemą.
Pažvelkime dar kartą į Saulės sistemą. Saulės amžius yra apie 5 milijardai
metų, o tai reiškia, kad ji nėra pirmosios kartos žvaigždė, gimusi Paukščių
Tako formavimosi metu, o yra atsiradusi žymiai vėliau kaip Galaktikos
vystymosi produktas. Tas pats ir su Žeme – jos susiformavimui neabejotinos
įtakos turėjo artimųjų, o gal ir ne taip jau artimų Paukščių Tako sričių
istorija ir savybės, nes jos gelmės, turtingos sunkiaisiais, tame tarpe –
ir radioaktyviaisiais, elementais, negalėjo susikurti iš primityvaus
vandenilio dujų debesies. Pats tas debesis jau buvo kelių kartų sudegusių
žvaigždžių veiklos rezultatas, taigi šiuo požiūriu jau žymiai patobulintas.
Taigi, Visata yra linkusi vystytis, tobulėti ir atsigaminti, vadinasi,
turėti šiokių tokių gyvosios gamtos bruožų netgi pačiose primityviausiose
savo egzistavimo formose, tokiose kaip žvaigždės, galaktikos ar planetos.
Nederėtų šioje knygoje nagrinėti išties sudėtingų klausimų, tokių kaip
intelekto ar civilizacijų egzistavimas, kurių ryšys su Visata yra
nepaprastai paslaptingas. Apsistokime prie pačios paprasčiausios, tai yra
gyvybės atsiradimo Visatoje problemos, nors ir ji pati yra viena
sudėtingiausių iš visų, kurias čia aptarėme. Priimtini kol kas yra du
scenarijai – pirmasis, kad gyvybė Žemėje pati išsivystė iš negyvosios
gamtos evoliucijos keliu, ir antrasis – kad sporos, sudarančios jos
atsiradimo pagrindą, buvo atgabentos į Žemę kažkokio tai kosminio
keliauninko (kometos, asteroido ar panašaus). Kaip ten bebūtų, abiem
atvejais gyvybės išsivystymui ir prisitaikymui prie sąlygų, egzistuojančių
konkrečioje planetoje, reikia labai nemažai laiko. Po plytų krūva pakišus
dinamito joks namas dar niekada nebuvo pastatytas. Galų gale atsitinka tai,
ką gerai matome Žemėje – gyvybė ir planetos savybės sudaro labai harmoningą
darinį. Užtenka paminėti jau vien tai, kad Žemės atmosferos sudėtis yra
tokia, kad joje egzistuoja tik du plyšeliai elektromagnetinių bangų
spektre, kuriuose ji yra permatoma – tai regimųjų spindulių ir radijo bangų
diapazonai. Jei mūsų akys būtų pritaikytos kitiems bangų ilgiams, nei
dabar, nematytume nei žvaigždžių, nei Saulės.
Panagrinėkime kiek smulkiau abu minėtus scenarijus. Evoliucinė Darvino
teorija paremta teiginiu, kad gyvybė gali išsivystyti iš negyvosios
materijos. Jos teiginiai yra neblogai visiems žinomi, todėl apsiribosiu tik
kai kurių eksperimentų ir argumentų, paremiančių šį požiūrį, įvardinimu.
Pirmieji eksperimentai, kuriuose buvo sudarytos maždaug tokios sąlygos,
kurios buvo primityvioje Žemėje, atlikti 1953 metais H.Urey ir S.Miler.
Mišinį medžiagų, kurios tikriausiai sudarė tų laikų Žemės atmosferą –
metaną (CH4 ), amoniaką (NH3 ) bei vandenį (H2O) veikiant nuolatinėms
elektros iškrovoms per savaitę pavyko paversti tamsiai ruda mase, kurioje
buvo daug amino rūgščių, kurios būtent ir sudaro proteinų bazę ir yra
fundamentali gyvosios gamtos sudėtinė dalis. Kiti panašūs eksperimentai
leido susintetinti ir kitokias sudėtingas molekules. Aminų rūgštys dabar
jau randamos ir meteorituose, ir netgi kosmose, jų gamyba – ne problema.
Visai neaišku, ko reikia, kad iš jų susidarytų proteinai, kuriuose jos
išsidėstę labai sudėtinga ir unikalia tvarka, o taip pat gyvybės pagrindas
– dar sudėtingesni junginiai – ribonukleininė ir dezoksiribonukleininė
rūgštys. Įtikėtina ir tai, kad šis procesas visai neišvengiamas visur ir
visada, ir tai, kad Žemėje kadaise susidarė ypatingos sąlygos, ir bent jau
mūsų galaktikoje gyvybė yra visiškai unikalus reiškinys. Kai kurie duomenys
rodo, kad pirmieji mikroorganizmai Žemėje atsirado prieš tris – tris su
puse milijardų metų, o primityvūs mūsų proseneliai pasirodė tik prieš 3 – 4
milijonus metų. Kai kam atrodo, kad net ir toks laiko periodas yra per
mažas tokioms protingoms būtybėms, kaip mes, išsivystyti.
Alternatyvus evoliuciniam yra 1907 metais paskelbtas S.Arenijaus požiūris į
šią problemą. Jis teigia, kad gyvybė į Žemę yra atnešta iš kosmoso su
kažkokiomis tai mikroskopinėmis sporomis, pajėgusiomis po ilgos kelionės
pas mus įsikurti ir išsivystyti. Ši teorija negali būti labai paprastai
atmesta, nes pastaraisiais metais pasirodė keleta ją remiančių faktų.
Pirmiausia tai yra meteorito ALH84001, kadaise atskriejusio į Žemę, liekanų
tyrimai. Identifikuota, kad šis meteoritas yra atskilęs nuo Marso prieš
septyniolika milijonų metų, ilgą laiką klaidžiojo erdvėje, maždaug prieš
trylika tūkstančių metų nukrito į Antarktikos sniegynus, ir galų gale 1984
metais buvo surastas specialistų. Tame meteorite buvo surasti primityvių
organizmų, kurie jame gyveno prieš keturis milijardus metų, pėdsakai.
Panašūs mikroorganizmai Žemėje atsirado tik prieš tris su puse milijardo
metų, taigi žymiai vėliau. Tie pėdsakai tai yra magnetėlių grandinėlės,
kurias kuria besivystydamas tas mikroorganizmas, matyt tam, kad galėtų
geriau orientuotis erdvėje. Jei tai pasitvirtintų dar kitais tyrinėjimais,
šis faktas akivaizdžiai paremtų teiginį, kad Visata pilna visokios
primityvios gyvybės užuomazgų, bet ta gyvybė įsitvirtina ir pradeda
vystytis tik ten, kur susidaro palankios sąlygos. Šiuo atveju visai
logiška, kad pirmiausia tie organizmai vystėsi Marse, kadangi jis yra
toliau nuo Saulės, todėl anksčiau susiformavo, atvėso ir tapo tinkamas
jiems gyventi. Žemė formavosi kiek vėliau, todėl ir tų organizmų buvimo
požymiai joje vėliau atsirado.
Romantiškas ir visai panašus į tiesą yra ir mechanizmas, aiškinantis, kaip
primityvios gyvybės formos gali netgi plisti Visatoje. Apie 1950 metus
teoriškai išsamprotauta, kad tolimoje Saulės sistemos periferijoje
egzistuoja didžiulė kometų samplaika, turinti dešimtis ar net šimtus
milijardų kometų, pasiskirsčiusių ne taip kaip planetos, kokioje tai
plokštumoje ar arti jos, bet beveik vienodai visomis kryptimis. Tai yra
tarsi koks tos sistemos apvalkalas. Prognozuojami jo matmenys yra nuo
dešimčių iki šimtų tūkstančių astronominių vienetų, kas gali sudaryti net
iki pusės atstumo iki artimiausios žvaigždės. Jei tokius pat apvalkalus
kartu su planetų sistemomis turi ir kitos žvaigždės, tai per milijoną metų
gali įvykti keleta gana artimų jų praskriejimų, kurių metu tie apvalkalai
gali ir persikloti. Aišku, kad tokių suartėjimų metu šios žvaigždžių
sistemos gali pasikeisti kometomis. Kometos gi, kurių branduoliai sudaryti
iš ledo, tai yra vandens, yra visai neblogi tų primityvių gyvybės formų
saugojimo šaldytuvai. Priartėjus kometai prie Saulės, jos branduolys
sušyla, susiformuoja graži matoma uodega, joje ir galėtų būti tų organizmų.
Įskridus žemei po kurio laiko į tokios uodegos liekanas kartu su stebimu
meteorų lietumi gali atkeliauti dar ir kokios tai gyvybės užuomazgos. Gal
ne veltui kometų pasirodymas danguje nuo senų senovės siejamas su
įvairiausiomis ištinkančiomis Žemę nelaimėmis, gal tie prietarai turi kokį
pagrindą? Kartais jau ir visai rimtai pakalbama, kad nauji virusai,
retkarčiais užplūstantys Žemę, gali būti kaip vietinės kilmės mutantai,
taip ir ateiviai iš kosmoso. Iš kitos pusės, kai kurie šios teorijos
teiginiai prieštarauja žinomiems faktams. Pavyzdžiui, neaišku, kaip sporos
gali ilgą laiką išlikti veiksmingos kosminės kelionės metu, veikiant
žudantiems gama ir kitiems kosminiams spinduliams. Iš kitos pusės, netgi
jeigu ši koncepcija yra teisinga, ji neišsprendžia gyvybės atsiradimo
problemų, tik perkelia jas į kitą vietą. Norint šią hipotezę padaryti
neprieštaringa, reikia prisiminti, kad ši alternatyva yra reikalinga tam,
kad kaip nors pratęstų gyvybės vystymosi laiką, kuris, palyginus su Žemės
egzistavimo laiku, turėtų būti žymiai ilgesnis. Kažkada šią hipotezę iš
naujo peržiūrėjo F.Hoyle, kuris surado šiokių tokių galimybių ją pagrįsti.
Pirmiausia, jis teigė, kad panašios sporos nuolatos pasiekia Žemę ir šiuo
metu, atnešdamos visokiausias negirdėtas ligas ar epidemijas, kurioms
gyvenančių Žemėje žmonių organizmai neturi imuniteto. Toliau Hoyle teigė,
kad gyvybei išsivystyti reikalingas ne tik žymiai ilgesnis negu 5
milijardai metų, bet netgi ilgesnis už 15 milijardų metų laiko tarpas.
Tokiu atveju prieštaringas pasidaro Didžiojo Sprogimo scenarijus, tačiau ir
šią problemą galima išspręsti, prailginant Visatos gyvavimo laiką. Gali
būti, kad Visata ilgą laiką egzistavo stabilioje būsenoje, ir dėl nežinomų
priežasčių pradėjo plėstis tik maždaug prieš minėtus 14 milijardų metų.
Visumoje ši hipotezė taip pat turi silpnų vietų, pavyzdžiui, visur aplinkui
turėtų būti randamos tos sporos, tačiau kruopšti Mėnulio grunto pavyzdžių
analizė kol kas to nepatvirtino. Gal būt, gana išsamius atsakymus į kai
kuriuos šių klausimų pateiks planuojamos ir jau pradėtos ekspedicijos į
Marsą – arčiausią planetą, kurioje galėjo būti gyvybė. Tarp kitko, iki
šiol tik trečdalis ekspedicijų į šią planetą buvo sėkmingos, taigi net
nepilotuojamas skrydis tokiais atstumais nėra paprastas. Kosmosas nėra
svetingas keliauti tokioms sudėtingoms struktūroms, kaip žmonės ar jų
pagaminti įrenginiai – mūsų šiuolaikiniai kosminiai laivai.
Pav. 13.1. Visatos ir biologinių objektų nuotraukų galerija.
Pamąstykime dar plačiau. Jei gyvybė yra taip paplitusi Visatoje, kaip sektų
iš šios hipotezės, tai turėtų būti ir civilizacijų, pasiekusių žymiai
aukštesnį, nei mūsiškis, išsivystymo lygį. Gal jų kosminiai laivai yra
pritaikyti tokioms kelionėms? Viltį, kad taip gali būti, skiepija
stulbinantys žmogaus proto pasiekimai. Jei tik šie procesai vystysis tokiu
pat greičiu kaip dabar, ir vėl nenusirisime į kokius nors viduramžius,
turėtume ir toliau labai greitai progresuoti. Devynioliktojo amžiaus gale
buvo pranašaujama, kaip pasaulis atrodys po šimto metų, dabar tokiomis
pranašystėmis joks protingas žmogus neužsiima, nėra jokių perspektyvų ką
nors nuspėti. Prieš šimtą metų, pavyzdžiui, niekas net sufantazuoti
negalėjo nieko panašaus į mobilųjį telefoną ar kompiuterį, tuo labiau
nešiojamą, o Internetas tai net jokiame sapne negalėjo prisisapnuoti.
Prisimenu tik vieną šių pranašysčių – kažkoks žmogelis susamprotavo, kad po
šimto metų, jei Paryžius plėsis tokiu greičiu kaip tada, jo gatvės
pasidengs septynių metrų storio arklių išmatų sluoksniu, ir gyvenimas
visiškai sustos. Gal ir netolima ši pranašystė nuo šiandieninės realybės,
bet juk norėta buvo pasakyti visai ką kita. .
Deja, jokių patikimų įrodymų, kad kokie nors Visatos keliauninkai būtų
aplankę Žemę, nėra. Jeigu jie būtų tokie protingi, kad galėtų iki mūsų
atskristi, tai vargu ar jiems reikėtų nuo mūsų slapstytis kur tai kitoje
Mėnulio ar Marso pusėje, kartais pasivogti kokią moterėlę iš gūdaus Sibiro
kaimo ar dar kaip kitaip mus šiurpinti. Pavojaus jiems dėl žemo savo
išsivystymo lygio mes nekeliame, taigi jie turėtų būti suinteresuoti su
mumis kontaktuoti.
Kodėl vis tik ateiviai mūsų nelanko ir netgi nesiunčia jokių savo buvimo
signalų? Dabartine technika aptikti kokius nors signalus, jei tik juos kas
siūstų, turėtų būti nelabai sunku. Pavyzdžiui, 2001 metų balandžio 28,
atsitiktinai trumpam atgijus branduolinei Pionierius-10 kosminio laivo
baterijai, Madride esanti speciali kosminių tyrimų antena tuoj pat
užfiksavo jos siunčiamus signalus ir identifikavo jų prigimtį, nors šis
kosminis zondas skrieja jau nuo 1972 metų ir yra nutolęs 78 kartus toliau
nuo Saulės nei mūsų planeta, o tų signalų galia buvo tik 10-21 vato.
Gal ir iš tiesų mes esame vieninteliai, bent jau Paukščių Take, o gal
kokios nors katastrofos, tokios kaip supernovų sprogimai ar iš kosmoso
slindantys nepaprastai galingi gama spindulių šuorai reguliariai vyksta
visur galaktikose ir neleidžia intelektui ir civilizacijoms išsivystyti
taip, kad jie taptų Visatos valdovais? Prisiminkime – viskas Visatoje,
įskaitant net ją pačią, kažkada prasidėjo ir tikriausiai, kažkada pasibaigs
arba virs kuo nors kitu.
Gal todėl toje Visatoje viskas taip ir įdomu?

Klausimai

1. Kas tai yra Oorto debesis?

2. Kas tai yra kreacionizmas?

3. Kaip Jūs pats manote, kokiu būdu Žemėje atsirado gyvybė?

Leave a Comment