Pamatyti tai, kas nepastebėta: kaip žvaigždžių spiečiai padeda atkurti galaktikų istoriją

Kaip formuojasi galaktikos ir kas iš tiesų lemia jų raidą per milijardus metų? Atsakymų į šiuos fundamentalius klausimus mokslininkai ieško vis giliau, atsigręždami ne tik į ryškiausius ir lengviausiai stebimus dalykus, bet ir į tai, kas ilgą laiką liko už stebėjimų ribų – mažos masės žvaigždžių spiečius.

Nors būtent jie, kaip rodo teoriniai modeliai, sudaro didžiąją dalį visų žvaigždžių spiečių, jų vaidmuo galaktikų evoliucijoje iki šiol tebėra nepakankamai pažintas.

„Žvaigždžių spiečiai – raktas į galaktikų diskų formavimosi istoriją“

Lietuvos mokslo tarybos (LMT) finansuojamas projektas „Žvaigždžių spiečiai – raktas į galaktikų diskų formavimosi istoriją“ atveria galimybę šią spragą užpildyti iš esmės nauju būdu.

Valstybinio mokslinių tyrimų instituto Fizinių ir technologijos mokslų centre įgyvendinamame tyrime pasitelkiami pažangūs dirbtinio proto ir mašininio mokymosi sprendimai. Jie leidžia ieškoti iki šiol sunkiai aptinkamų žvaigždžių spiečių Andromedos ir Trikampio galaktikose.

Tikimasi, kad tai padės ne tik tiksliau rekonstruoti šių galaktikų žvaigždėdaros istoriją, bet ir reikšmingai praplės mūsų supratimą apie galaktikų diskų formavimąsi apskritai.

Apie šio tyrimo reikšmę, jo mokslinį mastą ir klausimus, į kuriuos jis siekia atsakyti, kalbamės su projekto vadovu, Fizinių ir technologijos mokslų centro Fundamentinių tyrimų skyriaus vadovu, astronomu prof. dr. Vladu Vansevičiumi.

– Tyrime analizuojama Andromedos (M31) galaktika. Kuo ši galaktika yra ypatinga ir ką jos žvaigždžių spiečių analizė gali atskleisti apie galaktikų formavimosi procesus apskritai?

– Andromedos galaktika (taip vadinama, nes matoma Andromedos žvaigždyne) dar plačiai žinoma kaip M31 yra vienintelė šiauriniame danguje plika akimi matoma milžiniška žvaigždžių, dujų ir dulkių sistema.

Ji panaši į mūsų Galaktiką žinomą skambiu Paukščių Tako vardu. M31 didesnė už mūsiškę, tačiau abiejose yra vyraujanti struktūra – didelis žvaigždžių diskas. Andromedos galaktika yra artimiausia diskinė galaktika – iki jos maždaug 2,5 milijonų šviesmečių.

Andromedos galaktika rašytiniuose šaltiniuose paminėta daugiau nei prieš tūkstantį metų. Prieš šimtmetį ji tapo raktu atvėrusiu žmonijai kelią į Visatą – iki tol buvo manoma, kad mūsų Galaktika ir yra visa Visata. Nenuostabu, nes buvo laikai, kai ir Saulės sistema žmonėms atrodė tarsi Visata.

Andromedos galaktikos kintamųjų žvaigždžių stebėjimas įgalino nustatyti šią sistemą esant toli už mūsų Galaktikos ribų. O dabar mes ją vadiname labai artima galaktika, nes mūsų žvilgsniui jau pasiekiami Visatos toliai už daugiau nei 40 milijardų šviesmečių.

Andromedos galaktika

Andromedos galaktika su jos „andromediečiais“ jau seniai užkariavo fantastų kūrinius ir daugybę filmų. O pastaraisiais dešimtmečiais ji tapo interneto žvaigžde – jos portretų, nufotografuotų įvairaus lygio teleskopais, srautas tiesiog užtvindė tinklą.

Pirmą kartą nemažu, vieno metro skersmens, teleskopu Andromedos galaktiką fotografavau buvusioje Lietuvos observatorijoje Uzbekijoje – žiūrėdamas į keturių valandų parodos nuotrauką jutau gyvą ir nepakartojamą ryšį su tolimąja Visata.

Kitas moksliškai veiksmingesnis bandymas pažinti M31 buvo 2,2 m skersmens teleskopu Mauna Kea observatorijoje Havajuose – ten gauti stebėjimų duomenys atskleidė žvaigždėdaros skirtumus lyginant Andromedos ir mūsų galaktikas. Galiausiai sulaukiau 8,3 m skersmens Subaru teleskopo darbo pradžios Mauna Kea observatorijoje.

Vienu pirmųjų juo stebėtų dalykų, mano prašymu, buvo labiausiai intriguojanti pietvakarinė M31 disko dalis. Šios stebėjimų medžiagos užteko ilgą laiką išsamiai tyrinėti M31 žvaigždžių spiečius. Atradome, kad Andromedos galaktikos spiečiai vos ne dvigubai kompaktiškesni už mūsų vietinius, tačiau dar ir dabar neaišku, kodėl toks didelis skirtumas.

Kaltinome nepakankamą antžeminių stebėjimų kampinę skyrą, kurią riboja Žemės atmosferos turbulencija net ir stebint didžiausiais teleskopais. Todėl didelis džiaugsmas buvo M31 apžvalga atlikta Hubble kosminiu teleskopu (HST). Šie duomenys įgalino analizuoti M31 spiečius tarsi jie būtų mūsų Galaktikos dalykai stebimi antžeminėse observatorijose.

HST gautose fotografijose M31 spiečiai jau yra daugelio atskirų žvaigždžių sankaupos, o ne tik neaiškios formos dėmelės matomos Subaru teleskopo nuotraukose.

M31 žvaigždžių spiečius

Taip prieš dešimtmetį ir pradėjom naują „kosminį“ M31 žvaigždžių spiečių tyrimo laiką. Šiuo metu LMT remiamas projektas sudarė sąlygas suburti jaunimo komandą. Taip pat tai suteikė viltį, kad mums pavyks atskleisti žvaigždžių spiečių skirtumų abiejose galaktikose priežastis, o kartu ir suprasti esminius galaktikų diskų formavimosi procesus.

– Didžioji dalis ankstesnių tyrimų buvo kreipti į ryškius, masyvius daiktus. Ką iš esmės keičia perėjimas prie silpnų, sunkiai aptinkamų struktūrų analizės – ar tai labiau technologinis proveržis, ar naujas požiūris į pačius astrofizikos klausimus?

–  Kuo spindulingesnis šviesos šaltinis, tuo lengviau jo signalą užregistruoti. Kuo masyvesnis žvaigždžių spiečius, tuo iš daugiau žvaigždžių – šviesos šaltinių – jis sudarytas, o tai palengvina jo aptikimą, išsamų spinduliuotės registravimą ir tyrimą.

Kita vertus, kuo tobulesnė stebėjimų technika, tuo silpnesnius (tolimesnius) šviesos šaltinius galima tyrinėti. Galima analizuoti jų struktūrą, nustatyti evoliucinius rodiklius. Mes naudojame vienu tobuliausių šių dienų teleskopu (HST) atliktų Andromedos galaktikos disko fotometrinių stebėjimų duomenis.

Tai nuotraukos pro šešis skirtingo bangos ilgio šviesą praleidžiančius filtrus – nuo maždaug 270 iki 1600 nanometrų. Šie stebėjimai savo pobūdžiu yra išskirtiniai. Prireikė maždaug dviejų mėnesių stebėjimų laiko ir daugiau nei septynių tūkstančių nuotraukų siekiant aprėpti reikšmingą tokių didelių kampinių matmenų daikto dalį (M31 disko projekcija danguje yra didesnė už septynias Mėnulio pilnatis sudėtas į eilę).

Faktiškai reikėtų dar bent dešimt kartų didesnės apimties programos išsamiam viso M31 disko tyrimui. Viltis yra ateities kosminiai teleskopai, Jie vienoje nuotraukoje galės aprėpti daug didesnį dangaus plotą nei HST.

Vieną ar kitą didelį karą sutrumpinus nors viena diena, jau pakaktų lėšų tokiam teleskopui iškelti į kosmosą. Deja, žmogaus prigimtis prieštaringa ir ne visada nugali šviesioji pusė. Todėl belieka žmonijos minties polėkį riboti tuo, ką jau turim įvairių teleskopų stebėjimų archyvuose – laimei jie sistemingai kaupiami ir saugomi.

Siekis nagrinėti silpniau šviečiančius – mažesnės masės – žvaigždžių spiečius yra prasmingas abiem aspektais ir technologiniu, ir astrofizikiniu. Suprantamiau tariant, mus veda dvejopas noras – pamatyti tai, ko dar niekas nematė ir kartu praplėsti technologines vaizdų analizės galimybių ribas.

– Jūsų tyrimo centre – mintis, kad norint suprasti galaktikas, turime „pamatyti nematomą daugumą“ žvaigždžių spiečių. Kodėl būtent mažos masės spiečiai yra tokie kritiškai svarbūs ir kaip jų ignoravimas iki šiol galėjo iškreipti mūsų supratimą apie galaktikų evoliuciją?

–  Kadangi žvaigždės gimsta spiečiuose, o dauguma jų yra mažos masės, norėdami suprasti galaktikų žvaigždinę sudėtinę dalį neišvengiamai turime pasinerti į mažų žvaigždžių sistemų pasaulius. Tokie spiečiai ir iki šiol nebuvo ignoruojami. Tačiau neturėjom galimybių juos tyrinėti dėl stebėjimų technikos ribotumo.

Galaktikoje jie prieinami tyrimui tik nedideliu atstumu nuo mūsų – faktiškai tik mažoje srityje aplink Saulę, kuri sudaro mažiau nei 0.1 procento viso jos tūrio. Tokią nedėkingą aplinkybę sąlygoja Saulės sistemos padėtis mūsų Galaktikos diske. Jame daug dujų ir dulkių debesų, trukdančių matyti toli.

Priešingai, kitas galaktikas galima apžvelgti daug plačiau, tačiau ten aptikti vos iš kelių šimtų žvaigždžių sudarytus spiečius riboja teleskopų galimybės. Laimei, turime gana artimą kaimynę, panašią į mūsiškę – Andromedos galaktiką. Netgi šiuolaikinėmis stebėjimo priemonėmis joje galima aptikti ir tyrinėti maždaug 500 saulės masių žvaigždžių spiečius.

Kuo gi jie tokie įdomūs?

Vienas iš svarbių dalykų – Saulės sistemos, kurioje kol kas sėkmingai gyvename, gimimo paslaptis. Trumpai tariant, Saulė taip pat gimė žvaigždžių spiečiuje.

Nuo to, koks buvo jos gimtasis spiečius labai priklauso ir visos Saulės sistemos savybės, kurios ir nulėmė gyvybės atsiradimą bei evoliuciją iki to prieštaringo žmogaus. Supratę šiuos procesus, galėsime patikimiau įvertinti, kiek panašių į Saulės planetinių sistemų yra Galaktikoje.

– Kalbate apie žvaigždžių spiečių masės funkcijos universalumą. Paprasčiau tariant – ar žvaigždės visur Visatoje „gimsta“ pagal tas pačias taisykles? Kiek Jūsų tyrimas gali priartinti prie atsakymo į šį klausimą?

–  Taip, ir žvaigždžių, ir spiečių masės funkcijų universalumas šiuo metu yra vienos svarbiausių neišspręstų astrofizikos problemų. Mes juokaujam, kad Nobelio premija už žvaigždžių masės funkcijos priklausomybės nuo aplinkos sąlygų atskleidimą yra užtikrinta.

Pagrįstai laukiam jau daugiau kaip trisdešimt metų… Gal dar dešimtmetis ir bus viskas aišku. Tačiau gali būti panašiai kaip ir su termobranduolinės energijos laukimu – kada bepradėtum, vis dar lieka pora dešimtmečių…

Daug sudėtingesnė yra žvaigždžių spiečių masės funkcijos problema – gausybė spiečių gimimo ir gyvenimo procesus valdančių parametrų, kurie dar „paskaninti“ stochastiniais efektais. Tačiau labai tikimės, kad mūsų indėlis, praplėtus tiriamų spiečių masės ribą Andromedos galaktikoje mažesnės masės daiktų link, bus reikšmingas žingsnis šiame kelyje.

– Jūsų tikslas – sukurti naują metodą, paremtą mažos masės spiečių analize. Kiek šis būdas gali būti universaliai pritaikomas kitoms galaktikoms ar būsimoms dangaus apžvalgoms?

– Geras futuristinis klausimas. Taip, be abejo, mažos masės žvaigždžių spiečių analizė ateityje bus vis svarbesnė. Stebėjimų priemonės ir technologijos tobulėja ir ateis laikas, kai dangaus vaizdas bus registruojamas nuolatos – tarsi pastoviai veikianti viso dangaus sekimo kamera.

Jau pradėjo veikti antžeminė Vera Rubin observatorija Čilėje, kuri apima beveik pusę dangaus maždaug kas trys paros. Tai fantastinis proveržis – puikus pilotinis projektas viso dangaus sekimui kosminėmis observatorijomis. Viso dangaus pastovų stebėjimą mums būtina užtikrinti jau vien dėl saugumo, nes aplink skraidančių akmenėlių daugybė.

Pažiūrėkite į Mėnulio nuotraukas ir bus aišku, kas mūsų gali laukti. Kiekvienas pro žiūroną ar nedidelį teleskopą matomas Mėnulio krateris yra mirties Žemės civilizacijai indikatorius…

Aišku, ant Mėnulio paviršiaus matosi visa 4 milijardų metų istorija, todėl jų ten tiek daug. Žemė užsigydo tokias savo žaizdas. O ir vandenynai labai daug ploto užima, todėl žmonėms ne tiek baisu, jeigu sprendžia pagal tuos porą šimtų kraterių atrandamų ant Žemės paviršiaus…

Atsakant į klausimą tiesiau, būdo taikymo ribos priklausys nuo stebėjimų technikos tobulėjimo. Tik atsiradus galingesniems kosminiams teleskopams, bus įmanoma tiek pat išsamiai, kaip ir M31, tyrinėti ir daug tolimesnes galaktikas.

Naudojant esamus ir artimoje ateityje galbūt pradėsiančius veikti (bent jau jie buvo anksčiau numatyti) kosminius teleskopus, pasistengus, galima pasiekti maždaug 10–15 milijonų šviesmečių atstumą, t. y. aprėpti daugiau kaip 100 kartų didesnį Visatos tūrį nei sfera iki Andromedos galaktikos.

Tačiau maždaug po dešimtmečio planuojama kosmose turėti apie 100 kartų didesnio ploto veidrodį nei HST. Toks teleskopas dar bent 1000 kartų praplės mūsų kuriamo būdo taikymui prieinamą erdvės tūrį, o į jį jau pateks visa galaktikų įvairovė.

– Projekte žadama sukurti išsamią žvaigždžių spiečių duomenų bazę. Kokią vertę ji turės platesnei mokslo bendruomenei – ar galime tikėtis, kad ji taps atspirties tašku naujiems tyrimams ar net netikėtiems atradimams?

– Didelės stebėjimų duomenų bazės kuriamos dešimtmečiais ir yra labai nedėkingas užsiėmimas. Paprastai sakoma, kad tie, kas jas sukuria, retai kada spėja pasinaudoti jų teikiamomis galimybėmis. Taip yra, nes astronomijoje visi duomenys yra viešai prieinami.

Mes tikimės, kad gal pavyks bent preliminariai išanalizuoti savo Andromedos galaktikos žvaigždžių spiečių duomenų bazę. Ją užbaigus ir paskelbus naudosis visi dirbantys šioje tematikoje. Taigi mūsų laukia savotiškas ceitnotas. Manau, kad ji bus tinkamas pagrindas naujiems tyrimams ir naujų stebėjimo programų rengimui.

Netikėtų atradimų astronomijoje visada apstu

Rikia dėmesingai ir atkakliai analizuoti turimus stebėjimų duomenis, dangaus nuotraukas ir kurti įvairius modelius.

Bene greičiausiai galima atrasti kažką netikėto lyginant stebėjimų ir modeliavimo rezultatus. Jeigu nauji stebėjimai neatitinka modelių, reiškia, jau kažką nežinomo gamta pametėjo arba reikia gerinti būdus – abu dalykai labai svarbūs mokslo pažangai.

Tiesa, kai modeliai teisingai numato kas dar neatrasta, paprastai daug garsiau skamba po atradimo. Vienas įdomesnių pastarųjų metų tokio pobūdžio atradimų – gravitacinės bangos, kurios teoriškai buvo numatytos prieš šimtmetį.

– Jūsų projekte svarbų vaidmenį atlieka dirbtinis protas ir mašininis mokymasis. Kaip šios technologijos leidžia „pamatyti“ tai, ko anksčiau nepajėgė tradiciniai būdai, ir kokių iššūkių kyla dirbant su tokiais sudėtingais astronominiais duomenimis?

–  Skausmingas klausimas. Kol kas dirbtinis protas, sprendžiant šiuos uždavinius, atsilieka nuo natūralaus. Žvaigždžių spiečių aptikimas galaktikose kol kas geriau sekasi bandymams.

Tačiau siekiant aprėpti platesnes dangaus apžvalgas, neišvengiamai reikia pasitelkti dirbtinį protą, žinoma, kartu su savuoju… Mūsų turimi gan riboto galingumo kompiuteriai yra tinkami būdo kūrimui ir pavienių galaktikų, kaip Andromedos, tyrimui.

Naujas kokybinis ir kiekybinis technologinis proveržis dangaus apžvalgose tikėtinas maždaug po dešimties metų. Iki to laiko turime sukurti ir adekvačius bei veiksmingus analizės būdus. O kompiuterinė technika gal gi ir toliau žengs pagal Moore dėsnį…

Atvirai sakant, ypatingai sunku nuspėti dirbtinio proto tobulėjimo spartą ir kelius nors kiek ilgesniam laikotarpiui… Tačiau šiuo metu vis dar patikimiausias būdas aptikti žvaigždžių spiečius – žinovo ar netgi kiek pasimokiusio savanorio akis.

Pavyzdžiui, Andromedos galaktikos spiečius HST nuotraukose rankiojo daugiau nei trisdešimt tūkstančių savanorių. Bet toks darbas, suprantama, negali būti tobulai atliktas. Todėl ir turime viltį, kad mums pavyks priversti savo neuroninius tinklus jį padaryti geriau.

Aptiktų ir išmatuotų M31 spiečių skaičius turėtų bent jau padvigubėti, o gal ir patrigubėti, ypač dėl naujai aptiktų mažos masės daiktų. Tačiau neišvengiamai šalia dirbtinio ir natūraliems protams dar ne vieną mėnesį teks praleisti nagrinėjant tas pačias M31 nuotraukas…

– Žvelgiant plačiau – kaip, Jūsų nuomone, pasikeis mūsų supratimas apie galaktikų evoliuciją, jei iš tiesų pavyks sistemingai įtraukti tą „nematomą daugumą“ į analizę? Ar tai gali iš esmės perrašyti kai kurias šiandien priimtas teorijas?

–  Taip, jeigu pavyks įtraukti „į apyvartą“ mažos masės spiečius supratimas apie žvaigždėdaros procesus galaktikų diskuose bus naujame lygmenyje. Sunku pasakyti, ar reikės perrašyti teorijas, ar esamos atsistos ant tvirtesnio pagrindo. Bet kuriuo atveju, galaktikų žvaigždinių diskų evoliucijos supratimas mums yra betarpiškai svarbus.

Šiuo keliu ir apie savo namus sužinosim labai daug naujo – ko nesimato sėdint dulkėto Galaktikos disko viduje – esam tarsi „ežiukai rūke“… Bent jau bus aiškiau kas gali laukti Saulės ir jos planetų kelyje apie Galaktikos centrą.

Nuo Saulės gimimo mes jį apskriejom maždaug 20 kartų (20 galaktinių metų) ir per šią gana ilgą istoriją Žemėje buvo visko – vien tik per pastaruosius dvejus galaktinius metus įvyko 6 masiniai gyvybės išmirimai.

Suprantama, kol neišmokom patikimai apsaugoti savo planetos nuo Galaktikos keliamų pavojų, mums tai kelia pagrįstą nerimą, todėl ir ieškom atsakymų gretimose plačiau apžvelgiamose galaktikose.

Kalbino Ernesta Šneideraitytė, LMT