Нов поглед към тайните на Вселената

През цялата история на астрономията учените са разчитали на оптически уреди (в това число човешките очи), за наблюдения на Космоса. През последните десетилетия науката използва и радиотелескопи, за да регистрира невидимите за нас радиовълни и да „гледа“ все по-надалеч към Вселената. Нека сега обаче ви разкажем за рекордно мощният по рода си клъстер от радиотелескопи, който отскоро разкрива пред очите на учените тайните на Вселената.

Далеч от България, в пустинята Атакама (Чили) се разполага едно уникално по рода си научно съоръжение. Погледнато от птичи поглед, то прилича на случайно израснали в пустинята сгушени една до друга бели малки гъби, но само на пръв поглед. Ако се вгледате по-отблизо (или от по-ниско) в тях, ще разберете, че струпаните близо една до друга форми всъщност са средноголеми радиотелескопи, образуващи истинска гора.

 

„Душата“ на ALMA

Добре дошли в ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)! Това е една наистина революционна научна идея, която е реализирана на практика и от няколко години насам удивлява научния (и не само!) свят с постиженията си. Все още ненапълно довършеният масив от радиотелескопи е изграден в сухата северна част на пустинята Атакама, на височина от 5000 метра надморска височина. Идеални условия за астрономически наблюдения! В напълно завършения си вид ALMA ще бъде съставена от 66 прецизни радиотелескопа (12-метрови и 7-метрови), работещи заедно като един, в субмилиметров или милиметров обхват. Или това ще рече – вместо да конструират една огромна по размери и непосилна за създаване антена, учените обединяват способностите на множество по-малки в общ масив, получавайки възможност да „погледнат“ много, много надалеч в дебрите на Вселената.

 

Идеята за проекта ALMA стартира още през 1995 година, но се нуждае от много време, за да бъде осъществена и да заработи – не само заради сериозните инвестиции, но и заради необходимите инженерни постижения и изкачването и монтирането на антените в този неприветлив регион. В крайна сметка ALMA (което на испански означава „душа“) е официално открита през 2013 година, като почти всички антени са вече разположени и от няколко години предават на учените уникална по рода си информация за историята на Вселената. По своята същност масивът от телескопи е истинска „машина на времето“, защото записва събития на милиони и милиарди светлинни години от Земята, такива, каквито са се случили тогава, а ние виждаме едва днес.

Ето и няколко от най-интересните открития, свързани с възможността на ALMA да „вижда“ надълбоко във всички кътчета на Вселената.

 

Молекулите на живота

В гигантския газов облак Стрелец B2, недалеч от центъра на нашата галактика, ALMA първа открива зони от междузвездното пространство, богати на кислород и молекули, съдържащи въглерод, приличащи много на тези, които на Земята изграждат молекулите на живота. Това откритие означава, че в далечното минало такива междузвездни съединения са могли да попаднат на Земята и да повлияят на зараждането на живота. На основата на това откритие се правят и още по-логичните предположения – че извънземни форми на живот, базирани на въглерода, може да съществуват на много места във Вселената.

 

Облаците от въглеродни съединения в Стрелец В2 са наречени още „звездни ясли“, защото плътните струпвания на газ и прах са идеалното място за формиране на нови звезди. Досега всички откривани в междузвездното пространство органични молекули са се състояли от една права верига с въглеродни атоми, но на това място ALMA открива по-сложни молекули – на изопропилов цианид с разклонена въглеродна структура, каквато притежават и аминокиселините. А последните знаете добре какво представляват, нали? Блокчетата на живота.

 

Сливащи се галактики

Този процес е известен отдавна на астрономите, а и се наблюдава сравнително често. Всъщност по време на сливането галактиките не се „сблъскват“ в пълния смисъл на думата, а по-скоро минават една през друга като призраци. Причината за това е, че все пак звездите в тях са разположени доста далеч една от друга, така че директните сблъсъци са почти невъзможни.

Сливането обаче стимулира други процеси – интензивно образуване на нови звезди, както и сериозен гравитационен хаос. Дълго време астрономите считат, че сливането унищожава оригиналната структура на галактиките, заменяйки ги с образуването на една масивна, елипсовидна галактика. И това се случва, дори двете оригинални галактики преди това да са били също елипсовидни (като нашата), за които е характерна сплесната форма с изпъкнало ядро.

 

Тези разбирания обаче всъщност са леко погрешни и са възникнали заради проведено през 70-те години на миналия век компютърно моделиране. По-съвременни такива изчисления показали, че в някои случаи на сливане на елиптични галактики отново се получават елиптични (дискови) галактики. Но тъй като и новите изчисления са теоретични, то учените нямали истински доказателства нито за едната, нито за другата теория.

Днес обаче ALMA и други мощни земни радиотелескопи предоставят съвсем ясни доказателства, подкрепящи новата теория. 24 от наблюдаваните по време на това изследване галактики след сливането си са образували отново дискови галактики, а това са 65% от всички влизащи в проекта (37 на брой). Така ALMA успява да сложи край на този многогодишен спор или интересна за астрономите загадка.

Ексцентричните или наклонени орбити на екзопланетите

Екзопланетите са много модерни през последните години. Това са планети, открити далеч извън пределите на Слънчевата система. Само че орбитите на някои от тях са силно разтегнати и с овална форма или пък са силно наклонени спрямо екватора на своята звезда, което е доста странно и по принцип е характерно за двойните звездни системи (където две звезди се въртят една около друга). За да разберат защо някои екзопланети имат такива орбити, учените настройват масива ALMA да следи млада двойна звездна система в съзвездието Телец.

 

Благодарение на своята огромна разделителна способност ALMA успява да потвърди една от популярните теории за странните орбити на екзопланетите. Според нея, когато облаците космически газ се свиват навътре в себе си под действие на гравитацията, те започват да се въртят все по-бързо, докато се образува диск. В центъра му се образува протозвезда като зародиш в утробата на майката. И когато температурата й стане достатъчно висока, се предизвиква термоядрена реакция и се ражда новата звезда. В 90% от случаите останалият след раждането на звездата газ и прах, който се върти около нея, се нарича протопланетен диск и от него се формират планети, луни и други обекти.

Когато обаче системата е двойна и има две звезди, техните протопланетни дискове не се въртят в една равнина, така че новите планети се образуват с неправилна орбита или наклонена орбита. Тази теория е наречена ефект на Козаи и е потвърдена от ALMA за първи път. И макар и да не е приложима при всички странни орбити на екзопланети, тя е поредният спор, който е успешно приключен благодарение на масива от радиотелескопи.

 

Улесняване при откриване на нови планети

ALMA е използвана и за наблюдения на един интересен феномен. В звездната система GG Tau-A от съзвездието Телец се намира интересен газово-прахов поток, който буквално струи от огромен външен диск извън звездната система и се уплътнява навътре към по-малък вътрешен диск, обграждащ само своята централна звезда. Тази структура прилича буквално на колело в колелото.

Учените знаели за съществуването на тези дискове още преди наблюденията на ALMA, но не можели да обяснят как така те са оцелели толкова дълго време. Централната звезда би трябвало да притегля материята, от която се състои дискът, толкова бързо, че той отдавна би трябвало да е изчезнал.
ALMA обаче открива ненаблюдавано досега явление – газови уплътнения в областите между двата диска, служещи за своего рода „спасителни кръгове“ – външният диск захранва с материал вътрешния диск. По този начин вътрешният, доста по-малък диск може да просъществува много по-дълго време, което ще рече, че има и по-големи шансове от този материал да се образува планета.

 

Както може би знаете, планетите не са толкова често срещано явление из Вселената. Затова наблюдаването на такива двойни протопланетни дискове, от които големият захранва малкия с материя, означава, че в тези места занапред можем да търсим нови планети с много по-голяма вероятност да ги открием.  

 

Мъглявината „Бумеранг“

На около 5000 светлинни години от Земята, в съзвездието Центавър се намира мъглявината „Бумеранг“. Тя е считана за най-студения известен обект във видимата Вселена. Нейната средна температура е само 1 градус по Келвин – което е равно на минус 272 градуса по Целзий. Мъглявината е по-хладна дори от реликтовото излъчване (остатък от Големия взрив), чиято температура е 2,8 градуса по Келвин – естествената температура на междузвездното пространство.

Учените насочват изследванията си с помощта на ALMA, за да разберат повече за нея. В процеса на работа разкриват и нейната истинска форма. Преди години оптичните телескопи регистрираха мъглявината от светлината и във видимия спектър, като тя изглеждаше на нещо като папийонка с два закрепени бумеранга встрани. Само че сега става ясно, че мъглявината е много по-огромна, отколкото сме предполагали, и на всичко отгоре бързо се разширява.

 

Най-интересното е, че вече астрономите знаят, защо Бумеранг е толкова студена. Нейната централна звезда умира, а от вътрешността й изтича бърз поток газове, което едновременно разширява мъглявината и я охлажда – нещо подобно на процеса на разширение на газове, който охлажда продуктите във вашия хладилник. Но тъй като разширението на газовете (скоростта на изтичане) постепенно се забавя, в крайна сметка мъглявината ще започне все по-бързо да се затопля.

 

Майката на всички галактики

През 2009 година астрономи откриват светещ горещ газов мехур, простиращ се на огромно разстояние – повече от 55 000 светлинни години. Те го наричат Химико (в чест на легендарна японска кралица). И ако се отчете фактът, че обектът се намира на почти 13 милиарда светлинни години от Земята, плюс необходимото време тя да пристигне до нас, то учените днес виждат Химико по онова време, когато размерът на Вселената е бил само на 6% по големина спрямо сегашния. И за своята епоха Химико изглежда доста голям и мощен обект.

С помощта на телескопа Хъбъл и ALMA астрономите наскоро успяха да разгадаят няколко загадки. Хъбъл изясни, че Химико се състои от три големи звездни струпвания, всяко от които е ярка галактика с размери, характерни за онези ранни години на Вселената. В тези три струпвания звездите се формират с удивителна скорост от около 100 слънчеви маси годишно.

 

Рядката тройна система, която виждаме, е на възраст само 800 милиона години след Големия взрив. Тя съдържа важна информация за ранните етапи от съществуване на Вселената, известни като „космическия разцвет“.

Въпреки усилията на астрономите там се крият още множество загадки, като например фактът, че в зони с такова активно образуване на звезди би трябвало да възникват облаци от тежки елементи, като въглерод, кислород и силиций. При нагряването на тези елементи се образуват радиовълни, които ALMA може да регистрира, но… тя не намира такива. Не е открит дори газообразен въглерод, свързан с интензивното звездообразуване.

Всичко това вероятно означава, че междузвездният газ на Химико се състои само от водород и хелий! Което ще рече, че виждаме може би една от първите галактики в историята на Вселената – такава, каквато е била скоро след Големия взрив!

Свръхновите – фабрики за прах

Без прахоляка днес нямаше да съществуваме. Сериозно. Праховите облаци имат решаващо значение за формирането на звезди и планети. Учените знаят, че Вселената е изпълнена с прах, но не са сигурни как точно се е формирала тя в младата Вселена.

В наши дни по-голямата част от прахта във Вселената се появява, когато умират звездите от различна величина и яркост (свръхнови). Но в младата Вселена само младите звезди са се превръщали в свръхнови и това обяснява известно, но доста малко количество прах. Докато в същото време при наблюдението на такива млади галактики е отчетено много по-голямо количество прахови облаци.

С помощта на ALMA астрономите откриват останките от свръхновата 1987А и… откриват така наречената „изчезнала прах“.

Както можете да съдите от името й, SN 1987A се взривила през 1987 година на 168 000 светлинни години от Земята. Учените очаквали да видят голямо количество прах, защото атомите на въглерод, кислород и силиций се свързват в молекули в центъра на изстиващия газ след взрива. Използвайки телескопите си, по онова време те видели обаче само малко количество горещ прах.

 

Днес благодарение на ALMA астрономите засичат прахов облак с маса, равна на 25% от тази на нашето Слънце. Тайната е разгадана благодарение на способността на ALMA да засича вълни от субмилиметровия обхват, които се излъчват от по-студените прахови облаци.

Според Микако Мацуро от университетския колеж в Лондон най-младите галактики са и невероятно „прашни“, като тази прах играе изключително важна роля в еволюцията на галактиките. Днес ние знаем, че прахта във Вселената възниква по няколко различни начина, но в младата Вселена единственият източник на прах (и следователно на планети и живот) са давали именно свръхновите. В крайна сметка вече имаме сигурно доказателство за тази теория.

 

Звездите на смъртта

В една от най-красивите мъглявини – в съзвездието Орион, се крият звездни ясли, но и така наречените „убийци на планети“. Какво вече стана дума по-напред, големите молекулярни облаци от газ и прах в една мъглявина обезпечават създаването на среда за поява на звезди и планети. Но в мъглявината Орион има и стари звезди от тип О – много по-масивни от Слънцето с температура на повърхността от 50 000 градуса по Келвин и повече. Такива О-звезди буквално имат власт над живота и смъртта за планетарните системи в региона.

 

Когато масивните и с къс живот О-звезди се превърнат в свръхнови, то по мнението на учените в резултат на взрива възникват облаци от газ и прах – следващ етап във формирането на звезди и планети. Но по времето на своя живот О-звездите лесно могат да разрушават протопланетните дискове, ако тези ембрионални слънчеви системи имат нещастието да се намират прекалено наблизо до звездите на смъртта.

С помощта на способностите на ALMA да виждат обекти, скрити за плътни облаци прах, астрономите засичат и визуализират два пъти  повече като брой протопланетни дискове в мъглявината Орион, отколкото е било известно по-рано. Ако млада звезда се намира на разстояние от 1/10 светлинна година от О-звезда, то нейното интензивно ултравиолетово лъчение успява да разсее нейния протопланетен диск много преди тя да успее да формира планети. Чисто убийство.

 

Телескоп за хоризонта на събитията

В средата на миналата година екип учени монтира към централния пулт за управление на ALMA свръхточни атомни часовници, за да могат да синхронизират масива с глобалната световна мрежа от радиотелескопи. Експериментът бе част от създаването на единен виртуален инструмент с размера на Земята под названието „Телескоп за хоризонта на събитията“.

Обединяването на толкова много телескопи ще даде възможност за изследване на черните дупки и ще даде ясна картина за едно от малкото места във Вселената, където теорията на Айнщайн за относителността не работи - в хоризонта на събитията.

Това е теоретична граница, която обкръжава една черна дупка. Съгласно теорията границата представлява точката, от която няма връщане назад и нищо не може да избяга, дори светлината. С помощта на този „телескоп“ учените искат да изследват например свръхмасивната черна дупка в центъра на нашата галактика и да видят дали в действителност съществува такова нещо като хоризонт на събитията. Счита се, че тази черна дупка, намираща се в съзвездието Стрелец, има невероятно малка площ, но има маса от повече от 4 милиона наши Слънца!

 

ТХС (съкращение за Телескоп за хоризонт на събитията) ще сканира тепърва черните дупки и ще търси сянка – тъмната област, където черната дупка поглъща светлината. Според формата и размера на сянката, въртенето и масата, получените от ТХС данни ще дадат като резултат деформацията на пространството и времето в тази област.

Освен това с помощта на ALMA и ТХС астрономите искат да наблюдават стълкновението между черната дупка Стрелец А и G2 – огромен газово-прахов облак. Учените ще могат да разберат как това ще повлияе на черната дупка, а самият сблъсък ще продължи повече от 1 година.

 

Раждане на слънчева система в реално време

През ноември миналата година ALMA направи първата детайлна снимка на планети, образуващи се в протопланетен диск около млада звезда от тип като нашето Слънце. Звездата HL Тау се намира на 450 светлинни години от нас в съзвездие Телец. На забележително ясното изображение се вижда раждането на нова слънчева система. Освен това то представлява нещо като прозорец към собственото ни минало – вероятно така се е родила и нашата планета.

ALMA спомогна много за откриването на това явление, защото видимата светлина на HL Тау е засенчена от гигантски газово-прахов облак. Но ALMA може да сканира и регистрира в много по-широк диапазон на радиовълните (до милиметров) и по този начин са заснети кадрите зад ядрото на облака, където се формират планетите. Новата снимка потвърждава научните теории за формиране на планетите.

 

ALMA поднася и още една приятна изненада. HL Тау е доста млада, за да видим формиращите се около нея големи планети. Но на снимките ясно се виждат концентричните кръгове, прозиращи през прахта на протопланетния диск. Когато планетите увеличават своя размер, то се образуват именно тези колела, разделени от промеждутъци и празни зони. А планетите притеглят към себе си късовете материя от диска.
Така че на снимките идеално може да се види раждането на минимум 8 планети – по една за всяко концентрично колело.