Kas sieja auksą ir gravitacines bangas? Atsakymą į šį ir panašius klausimus tikrai žino Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Teorinės fizikos ir astronomijos institute susibūrusi mokslinė grupė (habil. dr. Gediminas Gaigalas, dr. Pavel Rynkun ir dr. Laima Radžiūtė). Tai – žmonės, kasdien užsiimantys sunkiai aprėpiamo duomenų kiekio skaičiavimais, kurių kartais neatlaiko net superkompiuteriai. Jeigu jie išgirsta, kad ko nors neįmanoma įgyvendinti, kyla mokslinis azartas įrodyti atvirkščiai. Taip tarp šių tyrėjų gimsta ambicijos savo mokslo atradimais įnešti svarų indėlį į atomo teorijos mokslo sritį. Ir panašu, kad jiems tai sekasi jau dabar.

Mokslininkai gilinasi į Nobelio premija įvertintus tyrimus

Tikslaus paaiškinimo, kaip ir kur visatoje susidarė elementai, sunkesni už geležį (taigi ir auksas ar platina), kol kas nėra. Vienas iš galimų sunkiųjų elementų šaltinių, į kurį šiuo metu sutelktas pasaulio tyrėjų dėmesys, yra neutroninių žvaigždžių jungimasis. Jo metu vykstančius procesus tiria ir Vilniaus universiteto fizikai. Pirmuosius rezultatus šių metų pradžioje jie kartu su kolegomis iš Japonijos publikavo žurnale „The Astrophysical Journal Supplement Series“. Šiais tyrimais buvo bandoma atsakyti į seniai keltus klausimus apie tauriųjų metalų kilmę visatoje.

Raktas į juos – neutroninių žvaigždžių tyrimai. Tai vienoje iš paskutinių evoliucijos stadijų esančių itin mažų žvaigždžių tipas. JAV mokslininkai Raineris Weissas, Barry C. Barishas ir Kipas S. Thorne’as 2017 m. gavo Nobelio fizikos premiją už svarų įdirbį atrandant gravitacijos bangas ir jas tiriant.

Visatos gravitacinės bangos buvo aptiktos 2015 m. rugsėjo 14 d. Jas užfiksavo JAV veikiančios Lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorijos (angl. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) detektorius. 2017 m. rugpjūtį buvo užfiksuotos gravitacinės bangos, atsklidusios iš dviejų susiliejusių neutroninių žvaigždžių.

Pagrindiniai konkurentai – JAV mokslininkai

Vilniaus universitete susibūrusi vos trijų žmonių mokslinė grupė, vadovaujama habil. dr. G. Gaigalo, save laiko atomo teorijos sekėjais ir į neutroninių žvaigždžių tyrimų sritį žvelgia remdamasi atominiais dydžiais. Atomo teorijoje šie mokslininkai yra pasaulinio lygio žaidėjai, konkuruojantys vos su keliomis tyrėjų grupėmis pasaulyje ir bandantys plėtoti mokslinę diskusiją. Be komandoje esančių kolegų iš Japonijos, Vilniaus universiteto fizikus kalbino jungtis šia sritimi besidominčių tyrėjų grupė Europoje, į kurią įeina švedai ir vokiečiai. Bet turbūt stipriausi konkurentai yra JAV mokslininkai. Lietuviai pripažįsta, kad startavo truputį vėliau nei jų kolegos Amerikoje, kur dirba ilgas tradicijas turinti Los Alamos grupė. Jie panašius atominius duomenis turėjo anksčiau nei lietuviai, bet ilgainiui Lietuvos ir Japonijos kartu atlikti modeliavimai pasirodė besantys tikslesni. Be to, Los Alamos kompanija yra uždara duomenų dalijimosi požiūriu. „O mes laikomės priešingos nuostatos – norime būti atviri, ketiname ir kitus savo atominius skaičiavimus publikuoti, kad galėtų naudotis ir daugiau kolegų pasaulyje. Manome, kad tai yra vertybė, kuria reikia pasidalyti“, – įsitikinęs Vilniaus universiteto mokslinės grupės vadovas.

Vis dėlto, kaip jis linkęs pabrėžti, jokie bent kiek reikšmingesni mokslo pasiekimai neatsiranda lygioje vietoje, o darbų sėkmę neretai lemia ne tik turimos technologijos, bet ir akademinė aplinka, mokslinė terpė ir ilgas bei nuoseklus profesinis įdirbis. „Mes priklausome akademiko Adolfo Jucio mokyklai, o jis laikomas teorinės fizikos tėvu Lietuvoje. Vienas pirmųjų jo mokinių buvo ir mano vadovas akademikas Zenonas Rokus Rudzikas“, – apie savo mokslinio kelio ištakas pasakoja habil. dr. G. Gaigalas.

Šiandien jo vadovaujama mokslininkų grupė, nuosekliai dirbdama, kuria įvairius metodus, programas, atlieka teorinius tyrimus, skaičiuoja atomines charakteristikas, kurios ilgainiui gali būti panaudojamos įvairiuose technologiniuose procesuose, taip pat naujos energetikos kūrimui, diagnostikai. Todėl ir savo pasiekimus stengiasi kuo labiau atverti mokslo bendruomenei: nuolatos bendradarbiauja su kolegomis ne tik iš Japonijos, bet ir iš įvairių kitų šalių – JAV, Švedijos, Vokietijos, Kinijos. Astronomija, astrofizika – tik viena iš jų tyrimų pritaikymo sričių.

Kai jau skaičiuojama tai, ko dar nėra, bet aišku, kad bus

Vis dėlto, net Lietuvos ir Japonijos mokslininkams sutarus pabandyti, habil. dr. G. Gaigalui ir jo grupės nariams nebuvo iki galo aiški bendradarbiavimo apimtis, gylis, tikslumas, o tuo labiau – sėkmė. Jis pripažįsta, kad pajusti, ar tikrai gebės suskaičiuoti tai, ko reikia kolegoms japonams, universiteto mokslininkams užtruko apie 1,5 metų. „Klaidžiojome savo tyrimų paieškose tol, kol su vienu elementu atradome „raktą“ – tada mūsų darbai įgavo pagreitį“, – pačią pradžią prisimena grupės vadovas.

Kai prasidėjo šis lietuvių ir japonų mokslininkų bendradarbiavimas, neutroninių žvaigždžių susijungimo fiksavimas dar buvo tik ateities projektas. Galvota, kad dar kurį laiką esamų gravitacinių bangų detektorių jautrumo nepakaks neutroninių žvaigždžių gravitacinėms bangoms užfiksuoti. Buvo manoma, kad tai tik ateities galimybė, reikalaujanti tobulesnių technologijų. Vis dėlto tyrėjams buvo svarbu pasiruošti: atlikti galimus teorinius skaičiavimus, sumodeliuoti situaciją prieš užfiksuojant besijungiančias neutronines žvaigždes, kad būtų galima palyginti rezultatus ir atlikti gilesnę analizę. Tik viskas įvyko greičiau, vos po poros metų nuo darbų pradžios.

Bangų keliai ir GPS navigacija

Su gravitacinėmis bangomis buvo užfiksuota ir šviesa, skleidžiama medžiagos, susidariusios besijungiant dviem neutroninėms žvaigždėms. Šis procesas vadinamas kilonova.

Habil dr. G. Gaigalo teigimu, atlikę tyrimus mokslininkai galės pateikti elektromagnetinių bangų, išspinduliuotų vykstant neutroninių žvaigždžių susijungimui, savybių aprašą. E. Kurausko nuotr.

Manoma, kad medžiagoje, susidariusioje jungiantis dviem neutroninėms žvaigždėms, yra gausu sunkiųjų elementų, tokių kaip auksas, platina, ar lantanidų grupės elementų, pavyzdžiui, neodimio. Kadangi tokie elementai pasižymi skirtingomis šviesos sugerties savybėmis, kiekvieno jų sugeriamos šviesos bangos ilgis ir sugėrimo laipsnis yra unikalus. Tad ir medžiagos sudėtis gali būti nustatyta remiantis ją sudarančių elementų ir naujai susidariusios kilonovos šviesos ryškumo pasiskirstymu pagal bangos ilgį.

Problema ta, kad pasaulinėse standartų bazėse pateikiamų sunkiųjų elementų atominių duomenų kiekis yra labai ribotas. O tokiems skaičiavimams ir modeliavimams reikia ypač daug duomenų. Todėl tik glaudus atomo fizikų ir astrofizikų bendradarbiavimas gali užtikrinti reikiamo tikslumo atominių dydžių apskaičiavimą, kuris leistų atlikti itin tikslią kilonovos šviesos analizę.

Pasak habil. dr. G. Gaigalo, pirmas etapas tokiuose tyrimuose – atominiai dydžiai, kurie ir reikalingi modeliavimui. Kol jų nėra – negali pradėti. Bet kol jie nėra pakankamai tikslūs – negalima judėti toliau. Kodėl reikalingas toks tikslumas, jei kalbame apie žvaigždes ir jų skleidžiamas bangas, kurios nutolusios šimtus šviesmečių, mokslininkas gali paaiškinti labai paprastai: „Jei GPS (angl. Global Positioning System – sistema, nustatanti objekto vietą pagal koordinates) veikia netiksliai, tai jūs galite vietoj Vilniaus nuvažiuoti į Panevėžį. Taip yra ir su mūsų skaičiavimais – dėl galimo ryškesnio netikslumo labai smarkiai keistųsi supratimas apie tai, kas yra labai toli. Štai toks ir yra mūsų mokslinės grupės išskirtinumas – sugebame apskaičiuoti viską, ko reikia, ir tiksliai. Kol kas tiksliau neįmanoma.“

Kilonovos šviesos tyrimai

Vilniaus universiteto fizikų mokslinė grupė kartu su kolegomis dr. M. Tanaka iš Tohoku universiteto ir dr. D. Kato iš Nacionalinio plazmos instituto Japonijoje atliko ir šių metų pradžioje publikavo sudėtingus neodimio jonų skaičiavimus. Gavę ypač tikslius duomenis, jie atliko kilonovos emisijos modeliavimą. Šie rezultatai leido pirmą kartą paaiškinti šviesos, sklindančios susijungiant dviem neutroninėms žvaigždėms, esančioms už 130 milijonų šviesmečių nuo Žemės, ryškumo dėsningumus.

Bendro Lietuvos ir Japonijos mokslininkų darbo metu buvo tiriami lantanidų grupei priklausančio elemento neodimio jonai, nes jie daro didžiausią įtaką kilonovos šviesai. Neodimio jonai turi daug sudėtingesnę energijos struktūrą nei lengvesnių elementų jonai ir sukuria itin daug sugerties linijų. Skaičiavimai turi būti atlikti esant įvairiems bangų ilgiams. Atliekant tokių elementų kaip neodimis daugiaelektronių atomų skaičiavimus susiduriama su įvairiomis problemomis, kurios yra nemažas iššūkis visai atomo fizikų bendruomenei. Todėl tokio tipo duomenų yra labai mažai net ir didžiausioje pasaulio duomenų bazėje – Nacionaliniame technologinių standartų institute (National Institute of Standards of Technology, JAV). Pasak tyrimų grupės mokslininkės dr. L. Radžiūtės, iki jiems pradedant savo darbus, reikalingų duomenų buvo mažiau nei 1 proc. Todėl tai buvo didelis iššūkis mokslininkų grupei – jie nuolat tobulino skaičiavimo schemas, dėl itin didelės skaičiavimų apimties ir duomenų kiekio teko nuolat tikrinti superkompiuterių galimybių ribas ir reguliariai tikrintis, ar einama teisinga kryptimi.

Pirmiausia tokių elementų atominių dydžių skaičiavimų tikslumas priklauso nuo subalansuotų koreliacijų įtraukimo į skaičiavimus. Kadangi visų koreliacijų įtraukti yra neįmanoma, turi būti atrenkamos ir skaičiuojamos tik pačios svarbiausios. Be to, dėl didelio elektronų kiekio 4f sluoksnyje smarkiai išauga skaičiavimų apimtys. Tai Vilniaus universiteto mokslininkams buvo iššūkis ir, kaip jie patys sako, tam tikras perėjimas į kitą kokybės lygį.

„Iš tikrųjų mes nuo pat pradžių turime du pagrindinius iššūkius, – teigia grupės vadovas habil. dr. G. Gaigalas. – Pirmasis yra technologinis, nes lėtai skaičiuoja kompiuteriai: nors mes naudojame tikrai aukšto lygio superkompiuterius, ypač čia, Lietuvoje, Saulėtekyje. Kitas iššūkis – apdoroti rezultatus. Be mūsų pačių tiesiog studentas to padaryti negali, nes reikia daug žinių ir kūrybingumo, kai kaskart iš gaunamos informacijos išplaukia nauja informacija, kurią reikia apdoroti ir paskui kūrybiškai atsirinkti, kas ir kur bus naudojama toliau.“

Vis dėlto tyrėjai sutinka, kad jiems gerai sekasi įveikti trikdžius, nes padeda ankstesnis įdirbis. Tam, kad gautų kuo tikslesnius duomenis, jie ištyrė įvairių koreliacijų įtaką neodimio jonams. Jas teisingai parinkus tapo įmanoma suskaičiuoti neodimio jonų energijos spektrą ir elektrinių dipolinių šuolių tikimybes, kurios yra būtinos kilonovos skleidžiamos šviesos tyrimams.

Numatoma mokslo pažanga

Atlikę šiuos tyrimus mokslininkai galės pateikti elektromagnetinių bangų, išspinduliuotų vykstant neutroninių žvaigždžių susijungimui, savybių aprašą. Jų rezultatai padės susieti elektromagnetinės spinduliuotės ryškumą su sunkiųjų elementų, išspinduliuotų neutroninių žvaigždžių susijungimo metu, mase. Kitaip tariant, mokslininkai ketina sukurti metodiką, kuri leis analizuoti sunkiųjų elementų susidarymą stebint jų elektromagnetines bangas.

Vilniaus universiteto tyrėjai pripažįsta, kad kol kas jie dirba fundamentiniu lygiu, o kaip tai galėtų būti pritaikoma plačiau – ateities klausimas. Kita vertus, gravitacinių bangų tyrimų pradžia, pasak habil. dr. G. Gaigalo, kažkiek primena tą laikotarpį, kai buvo atrastos elektromagnetinės bangos. Dar tuomet Heinrichas Rudolfas Hercas, pristatydamas elektromagnetizmą žymiems akademikams, sulaukė klausimo, o kokia iš viso to bus nauda žmonijai. Tąsyk atradėjas pripažino, kad dar negali pasakyti, kokia bus ta praktinė nauda, bet yra beveik tikras, kad po 100 metų žmonės iš to užsidirbs daug pinigų. Ir jis buvo teisus: šiandien daug kas mūsų gyvenime paremta būtent elektromagnetinėmis bangomis.

Panašaus, o gal net didesnio proveržio tikimasi ir tyrinėjant gravitacines bangas. Jų duomenyse, pasak mokslininkų, užkoduota labai daug informacijos: kokie elementai sintetinami, kokios temperatūros, kokios sąlygos ir pan. Visa astrofizika remiasi būtent elektromagnetinių bangų tyrimais. Taip atsiveria nauji horizontai. Atominių dydžių tyrimai leidžia atkoduoti tokią informaciją, kuri ateina iš elektromagnetinių bangų, iš spektro. Atgaminant galima suprasti, kokie elementai susidaro ir kaip, kokios temperatūros, koncentracijos, kaip keičiasi per laiką, o kartu – įsivaizduoti procesus ir juos sieti su gravitacinėmis teorijomis.

Aukso, platinos ir urano kilmė Visatoje šiandien vis dar yra paslaptis. Bet tokių tyrimų rezultatai neabejotinai prisidės siekiant ją atskleisti. Pasak mūsų tyrėjų, tai tik pradžia ir kartu svarbus žingsnis plėtojant naują mokslinių tyrimų sritį.

Tyrimai atliekami vykdant projektą „Sunkiųjų elementų struktūros ir savybių teorinis tyrimas siekiant nustatyti gravitacinių bangų šaltinius (nr. S-LJB-18-1).