სამყაროს გამოცანები, მოდიფიცირებული ნიუტონისეული დინამიკა…

ვინ ცდილობს თანამედროვე ასტროფიზიკის პოსტულატების დაცემას? რა არის გრავიტაციული ლინზირება? სად ვეძებოთ ზეელვარე ზეახლები? გთავაზობთ მცირე მიმოხილვას.

ისერა გამოცანა

 ბნელი მატერია, თანამდეროვე ასტროფიზიკის ერთ-ერთი მთავარი გამოცანაა. წინააღმდეგობრიობების გარეშე გალაქტიკებისა და გალაქტიკური გროვების შიდა კინემატიკის აღსაწერად, ბნელი მატერიის არსებობის პოსტულირება გახდა საჭირო. გალაქტიკათა ცენტრების გარშემო ვარსკვლავები ისეთი სიჩქარით მოძრაობენ, რომ თავიანთი ვარსკვლავური სისტემის მიზიდულობა დიდი ხნის წინათ უნდა გადაელახათ და დაეტოვებინათ იგი. კარგად ვიცით, რომ რაც უფრო შორსაა სხეული გრავიტაციული ცენტრიდან, მით უფრო ნაკლებია მისი ორბიტალური სიჩქარე. პლუტონი, მაგალითად, მზის გარშემო 5 კმ/წმ. სიჩქარით მოძრაობს, დედამიწა კი – 30 კმ/წმ. გალაქტიკებში კი სულ სხვაგვარი მდგომარეობაა: გალაქტიკის ცენტრიდან 10 გინდა თუ 20 კილოპარსეკის(33-66 ათასი ს.წ. შესაბამისად) მანძილზე მდებარე ვარსკვლავები, თითქმის ერთნაირი სიჩქარით მოძრაობს.

 გაქცევის სიჩქარე იმ სისტემის მასაზეა დამოკიდებული, რომლის მიზიდულობაც უნდა დაიძლიოს. ამიტომ, გასაგებიც ხდება, რომ ცენტრიდან შორს მდებარე ”სწრაფი” ვარსკვლავები, გალაქტიკის მასის არაკორექტულ შეფასებაზე უნდა მიუთითებდეს. ამ მასის გამოთვლა, მანათობელი მატერიის რაოდენობის მიხედვით არის შესაძლებელი, რომლის მეტი წილი ვარსკვლავების სახით არის წარმოდგენილი. მათთვის დამოკიდებულება მასა-ნათობა, კარგად არის ცნობილი და ამაში საეჭვოც არაფერია. ამ დროს, სწორედ ეს მანათობელი მასის რაოდენობა გამოდის ცოტა იმისათვის, რომ გალაქტიკის პერიფერიაზე მდებარე ვარსკვლავები თავიანთ ორბიტებზე დააკავოს. გამოდის, რომ არსებობს რაღაც არამანათობელი მატერიაც.

 ასე გაჩნდა იდეა ბნელი მატერიის შესახებ. ამ პრობლემის გადაჭრისადმი სხვაგვარი მიდგომაც არსებობს – შეცდომა არა გალაქტიკების მასის შეფასებაში უნდ ვეძებოთ, არამედ კანონში, რომელიც გალაქტიკის მასასა და მისი ვარსკვლავების ”სწორ” სიჩქარეებს ერთმანეთთან აკავშირებს. ასეთ ჰიპოთეზებს დიდ ყურადღებას არავინ აქცევს, თუმცა მათაც აქვს არსებობის უფლება.

 ერთ-ერთი მათგანია ე.წ. MOND – მოდიფიცირებული ნიუტონისეული დინამიკა. მისმა შემქმნელმა, მორდეჰაი მილგრომმა(ისრაელი) ჯერ კიდევ 1983 წელს, მსოფლიო მიზიდულობის ძალისა და ნიუტონის მეორე კანონისაც კი, მცირე შესწორების იდეა წამოაყენა. მილგრომის აზრით, პრობლემა, მიზიდულობის ძალით აჩქარებული სხეულის გამოსათვლელ ფორმულაში უნდა იმალებოდეს.

 შეგახსენებთ, რომ ნიუტონის მეროე კანონის თანახმად, m მასის სხეული, რომელზეც მოქმდებს F ძალა, მოძრაობს a აჩქარებით, ისეთით, რომ ma=F. ეს ფორმულა ურიცხვი ექსპრიმენტებით არის დადასტურებული. გალაქტიკის გრავიტაციულ ველში, ვარსკვლავების აჩქარება ძალიან მცირეა. წამკვადრატში დაახლოებით 10^-8 სანტიმეტრი, რაც დედამიწაზე თავისუფალი ვარდნის აჩქარების ერთ ასმემილიარდედს უტოლდება. ასეთ მცირე აჩქარებებზე ნიუტონის მეორე კანონი არავის გადაუმოწმებია, ამიტომ გარკვეული მოდიფიკაციების დაშვებაა შესაძლებელი.

 გალაქტიკათა ბრუნვის დამზერადი მრუდების ასახსნელად, აუცილებელია ვივარაუდოთ, რომ ზემცირე აჩქარებისას ნიუტონის კანონი ასეთ სახეს მიიღებს – ma²/a₀ = F, სადაც a₀ – აჩქარების სიდიდესთან დაკავშირებული რაღაც პარამეტრია. ფაქტიურად, ფუნდამენტური მუდმივაა, სწორედ რომ 10^-8 სანტიმეტრი წამკვადრატზე. ამავე დროს, დიდი აჩქარებებისთვის მართებული რჩება კანონი, რომელიც სკოლაში ვისწავლეთ.

 შერწყმის პოროცესში მყოფი გალაქტიკების გაზური კომპონენტის ევოლუცია, ბნელი მატერიის გარეშეც კარგად ეწყობა MOND-ს.

 თავიდან, თუ მილგრომის თეორია უბრალოდ საინტერესო იყო, ახლა, დამზერით მიღებული ფაქტების ნაკრები მიუღებლად და მარგინალურად აქცევს მას. ბნელი მატერიის იდეა გაცილებით მეტი ექსპერიმენტული მონაცემის ახსნის საშუალებას იძლევა, ვიდრე უბრალოდ გალაქტიკათა ბრუნვის მრუდები. MOND-ი ახლაც დისკუსიების თემად არის ქცეული(თან, ალბათ, ინერციით).

 მილგრომის ჰიპოთეზის ჩარჩოებში, გერმანელმა სტროფიზიკოსებმა, გალაქტიკების წარმოქმნისა და შერწყმის რიცხვითი ამოცანა ამოხსნეს(arxiv.org). რადგან MOND-ს გარკვეულ უნივერსალურობაზე აქვს პრეტენზია, მან არა მარტო გალაქტიკათა კინემატიკა უნდა აგვიხსნას, არამედ დამზერადი სხვა თვისებებიც. წინასწარმეტყველებს თუ არა იგი ვარსკვლავურ სისტემათა ისეთ ევოლუციას, როგორსაც სტანდარტული მიდგმომა, რომელშიც ბნელი მატერიაც არის გათვალისწინებული? შესაძლებელია თუ არა MOND-ის ჩარჩოებში გალაქტიკათა შეჯახების რეპროდუცირება?

 ორივე შეკითხვაზე დადებითი პასუხი გვაქვს. მოდელირებული პროცესები, დამზერილს ჰგავს. თუმცა, არის განსხვავებაც. მაგალითად, ბნელი მატერიით ”შემოსილი” გალაქტიკები საკმაოდ სწრაფად ერწყმის ერთმანეთს. თუ ბნელი ჰალო არა გვაქვს, შეჯახება დიდი ხანი გრძელდება და გალქტიკები, ერთმანეთის გარშემო რამდენიმე წრის შემოვლას ასწრებენ. ნიშნავს ეს თუ არა იმას, რომ სამყაროში მეტი რაოდონებით შერწყმის პროცესში მყოფ გალაქტიკებს უნდა ვხედავდეთ, ვიდრე სინამდვილეში არის? ავტორები ამ საკითხს არ განიხილავენ(გალაქტიკათა ევოლუციის მოდელირება).

კოსმოსური სათვალე

 ერთ-ერთი მოვლენა, რომელსაც MOND-ი ვერ უმკლავდება, არის გრავიტაციული ლინზირება. გრავიტაცია, როგორც ცნობილია, სინათლეზეც ზემოქმედებს. ვარსკვლავთან ახლოს მოძრავი ფოტონი, მოძრაობის მიმართულებას იცვლის.

 გალაქტიკური გროვები და მათში არსებული ბნელი მატერია თავისებური ლინზების როლში გამოდიან, რომლებიც კიდევ უფრო შორეული გალაქტიკების სინათლის ფოკუსირებას ახდენენ. თუ MOND-ი სწორია, გალაქტიკათა გროვები ნაკლებად მასიურია და მათ მიერ გამოწვეული ლინზირებაც სხვანაირად უნდა გამოიყურებოდს.

 მიკროლინზირება, მაგალითად, ბნელი მატერიის გარეშე ხდება და MOND-ისთვის პრობლემას არ წარმოადგენს. თუ დედამიწასა და შორეულ ვარსკვლავს შორის ერთ ხაზზე სხვა ვარსკვლავი მოექცევა, ეს უკანაკსნელი შორეულიდან წამოსული სინათლის ფოკუსირებასა და შესაბამისად, მის გაძლიერებას მოახდენს, რაც შემდეგ სიმეტრიული ჩაბნელებით სრულდება. ათასობით ასეთი მოვლენაა დაფიქსირებული. განსაკუთრებით საინტერესოა ლინზირება, რომელშიც არა ერთი, არამედ ორმაგი ვარსკვლავი მონაწილეობს(ან ვარსკვლავი და მისი პლანეტა). ასეთი სისტემების ლინზირება უფრო რთულია და მეტ ინფორმაციას იძლევა. კიდევ უფრი საინტერესოა ამ მოვლენის დამზერა ერთმანეთისგან რაც შეიძლება შორს მდებარე წერტილებიდან. ამ დროს, პარალაქსის ეფექტი მოქმედებს, ობიექტი-ლინზა, ლინზირებულ ვარსკვლავს დროის სხვადასხვა მომენტში ფარავს დამკვირვებლისთვის. შესაძლებელი ხდება ლინზამდე მანძილის პირდაპირი გაზომვა(გეომეტრიულად).

 მზის გარშემო მოძრავი დედამიწა, თავისი ორბიტის ხან ერთ შორეულ წერტილზეა, ხენ მეორეზე. ამიტომ, მაგალითად, იანვარში ერთ ადგილზე ვხედავთ ვარსკვლავს, ივლისში კი სხვა ადგილზე, მისი ხილული მდებარეობა ოდნავ წაინაცვლებს(წლიური პარალაქსი). ვარსკვლავემდე მანძილის დადგენა დაფიქსირებული წანაცვლების მაჩვენებლის(α) გამოყენებით არის შესაძლებელი. ამ სიდიდეს პარსეკი ეწოდება და არის მანძილი ობიექტამდე, რომლის წლიური პარალაქსი ერთ კუთხურ წამს უტოლდება(1 პს. = 3,26 სინათლის წელი).

გრავილინზირებაზე მომუშავე ერთბაშად რამდენიმე კოლაბორაციამ ერთობლივი ნაშრომი გამოაქვეყნა, რომელშიც ზუსტად ასეთი იშვიათი მოვლენების რეგისტრირებაზეა საუბარი. დაკვირვებები, დედამიწიდან და კოსმოსიდან – ”სპიცერი” და ”სვიფტი”, ხდებოდა. მიკროლინზირების ერთ-ერთი შემთხვევა ორივე კოსმოსური ობსერვატორიით პირველად იქნა დამზერილი.

 რეგისტრირებულიდან ერთ-ეთი, მზის მასის მქონე ორმაგი ვარსკვლავური სისტემით იყო გამოწვეული. ანუ ერთმანეთთან ახლოს მდებარე ერთნაირი ლინზებით, თავისებური კოსმოსური სათვალით. ჯერ ზედაპირული საშუალებებით მოხდა დამზერა, 13 დღის მერე კი – ”სპიცერით”. ეს სხვაობა სწორედ რომ პარალაქტური წანაცველბის გამო მოხდა. შედეგად, სისტემა-ლინზის საკმაოდ ბევრი პარამეტრის დადგენა მოხერხდა, მათ შორის მანძილისაც – 3 კილოპარსეკი(9800 ს.წ.).

ულტრაელვარე ზეახლები

 ეს არის ვარსკვლავების აფეთქებები, რომლებიც ჩვეულებრივი ზეახლის ანთების მსგავსად გამოიყურება, თუმცა ათეულობითჯერ მეტი სიმძლავრით. მათ, ულტრაელვარე ზეახლების სახელი მიიღეს(ან ულტრამძლავრი – SLSNe). ათობით ასეთი მოვლენაა დაფიქსირებული, ბუნება კი – გაუგებარი.

 რამ შეიძლება გამოიწვიოს ამხელა ენერგიის გამოსხივება ასე მოკლე დროში? ზოგიერთი SLSNe-ს ნათობა პიკზე, მთელი ჩვნი გალაქტიკის ნათობაზე რამდენიმეჯერ მეტია!

 SLSNe-ს აფეთქების რამდენიმე მექანიზმი განიხილება, რომლებიც მათ განსხვავებულ ტიპებს ხსნის(დიახ-დიახ, უკვე კლასიფიცირებაც კი მოხდა). ძირითადი ვარიანტის მიხედვით, ეს არის მზეზე მასიური, 100-200-ჯერ მასიური ვარსკვლავის აფეთქება. ჩვენს ეპოქაში ასეთი ვარსკვლავების დეფიციტია, მაგრამ სამყაროს განვითარების ადრეულ ეტაპებზე ასე არ იქნებოდა(პირველი ვარსკვლავები). ულტრამძლავრი ზეახლები, სამყაროს შორეული წარსულის სივცესა და დროში ჩახედვის საშუალებას გვაძლევს.

 SLSNe-ს მექანიზმის კიდევ ერთი საინტერესო ვარიანტი, იაპონელმა გა რუსმა ასტროფიზიკოსებმა წარმოადგინეს. აქაც ვარსკვლავის კოლაფსზეა საუბარი, შავ ხვრელად გადაქცევით. ოღონდ არა ჩვეულებრივი ვარსკვლავი კოლაფსირებს, არამედ ნეიტრონული ვარსკვლავი(ნვ). თან ძალიან სწრაფად მბრუნავი(პულსარი), უძლიერესი მაგნიტური ველით(მაგნიტარი). ზოგადად, ნვ 20 კილომეტრამდე ზომის ზემკვრივი ბირთვია. ასეთი ვარსკვლავის ბირთვი მუდმივად შეკუმშვისკენ მიისწრაფის, რასაც მისი შემადგენელი მატერიის წნევა ეწინაამდეგება. თუ ნვ-ს მასა ძალიან დიდია(2-3 მზის მასა), შინაგანი წნევა მის შეკუმშავს ვეღარ აჩერებს და ის, შავ ხვრელად კოლაფსირებს.

 ახლა წარმოვიდგინოთ ნვ, რომელიც თავისი ღერძის გარშემო რამდენიმე ასეულ ბრუნს 1 წამში აკეთებს. ასეთ ობიექტს შავ ხვრელად გადაქცევისგან არა მარტო სიმკვრივე იცავს, არამედ ცენტრიდანული ძალაც. ცნობილია, რომ ნეიტრონული ვარსკვლავი დროთა განმავლობაში ბრუნვის სიჩქარეს ანელებს, თან მით უფრო ჩქარა, რაც უფრო ძლიერი მაგნიტური ველი აქვს მას. ამიტომ თავიდანვე სწრაფად მბრუნავი დამაგნიტებული ნვ ძალიან მცირე ხანი ცოცხლობს და მალევე შავ ხვრელად კოლაფსირებს. რაც, ავტორთა გამოთვლებით, ჩვეულებრივი ზეახლების ანთებაზე კაშკაშა მოვლენა უნდა იყოს. თუმცა, ირკვევა, რომ არც ისე კაშკაშა, როგორც SLSNe(ე.წ. ტრანზიენტული, შუალედური სიმძლავრით ჩვეულებრივსა და ულტრამძლავრს შორის)(ნეიტრონული ვარსკვლავების დიდი გაერთიანება).