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 objektus, 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.
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 intelekto ir mašininio mokymosi sprendimai, kurie 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 dominuojanti 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 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 ekspozicijos nuotrauką jutau gyvą ir nepakartojamą ryšį su tolimąja Visata. Kitas moksliškai produktyvesnis 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 objektų, mano prašymu, buvo labiausiai intriguojanti pietvakarinė M31 disko dalis. Šios stebėjimų medžiagos užteko ilgą laiką detaliai 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 objektai stebimi antžeminėse observatorijose. HST gautose fotografijose M31 spiečiai jau yra daugelio atskirų žvaigždžių sankaupos, o ne tik neaiškios formos dėmelės matomos Subaru teleskopo nuotraukose. Taip prieš dešimtmetį ir pradėjom naują „kosminį“ M31 žvaigždžių spiečių tyrimo etapą. Šiuo metu LMT remiamas projektas sudarė sąlygas suburti jaunimo komandą ir 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 orientuoti į ryškius, masyvius objektus. 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, detalų spinduliuotės registravimą ir tyrimą. Kita vertus, kuo tobulesnė stebėjimų technika, tuo silpnesnius (tolimesnius) šviesos šaltinius galima tyrinėti, analizuoti jų struktūrą, nustatyti evoliucinius parametrus. 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 unikalūs – prireikė maždaug dviejų mėnesių stebėjimų laiko ir daugiau nei septynių tūkstančių nuotraukų siekiant aprėpti reikšmingą tokių didelių kampinių matmenų objekto 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, kurie 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 kontraversiška 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 žvaigždinį komponentą 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, kuriame 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 aspektų – 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 kontraversiško 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 garantuota. 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 objektų link, bus reikšmingas žingsnis šiame kelyje.
– Jūsų tikslas – sukurti naują metodą, paremtą mažos masės spiečių analize. Kiek šis metodas 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, metodo taikymo ribos priklausys nuo stebėjimų technikos tobulėjimo. Tik atsiradus galingesniems kosminiams teleskopams, bus įmanoma tiek pat detaliai, kaip ir M31, tyrinėti ir daug tolimesnes galaktikas. Naudojant esamus ir artimoje ateityje galbūt pradėsiančius veikti (bent jau jie buvo anksčiau planuoti) 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 metodo taikymui prieinamą erdvės tūrį, o į jį jau pateks visa galaktikų įvairovė.
– Projekte planuojama 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, 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 publikavus 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 – tik reikia 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 tobulinti modelius – abu aspektai labai svarbūs mokslo progresui. 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 intelektas ir mašininis mokymasis. Kaip šios technologijos leidžia „pamatyti“ tai, ko anksčiau nepajėgė tradiciniai metodai, ir kokių iššūkių kyla dirbant su tokiais sudėtingais astronominiais duomenimis?
– Skausmingas klausimas. Kol kas dirbtinis intelektas, sprendžiant šiuos uždavinius, atsilieka nuo natūralaus. Žvaigždžių spiečių aptikimas galaktikose kol kas geriau sekasi ekspertams. Tačiau siekiant aprėpti platesnes dangaus apžvalgas, neišvengiamai reikia pasitelkti dirbtinį intelektą, žinoma, kartu su savuoju… Mūsų turimi gan riboto galingumo kompiuteriai yra tinkami metodo 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 efektyvius analizės metodus, o kompiuterinė technika gal gi ir toliau progresuos pagal Moore dėsnį…
Atvirai sakant, ypatingai sunku prognozuoti dirbtinio intelekto tobulėjimo spartą ir kelius nors kiek ilgesniam laikotarpiui… Tačiau šiuo metu vis dar patikimiausias būdas aptikti žvaigždžių spiečius – eksperto 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 objektų. Tačiau neišvengiamai šalia dirbtinio ir natūraliems intelektams 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
Nuotraukos iš pašnekovo asmeninio archyvo
Iliustracijų paaiškinimai:
- A – masyviausi M31 žvaigždžių spiečiai. Masė – daugiau nei šimtas tūkstančių saulės masių, aptinkami beveik visi.
- B – masyvūs M31 žvaigždžių spiečiai. Masė – dešimt tūkstančių ir daugiau saulės masių, aptinkama daugiau nei 90 proc.
- C – mažos masės M31 žvaigždžių spiečiai. Masė – tūkstantis ir daugiau saulės masių, aptinkama daugiau nei 60 proc.
- D – mūsų tikslas – mažiausios masės M31 žvaigždžių spiečiai. Masė – mažiau nei tūkstantis saulės masių, aptinkama mažiau nei 30 proc.
