Beveik visą informaciją apie mus supantį pasaulį gauname stebėdami šviesą, tirdami įvairių diapazonų elektromagnetinę spinduliuotę. Iki šiol tiesiogiai „pačiupinėti“ mokslininkai galėjo tik Mėnulį, Marsą ir Venerą. Informacija apie kitas planetas ir žvaigždes, pradedant Saule ir baigiant tolimiausių galaktikų žvaigždėmis, gaunama tik stebint jų skleidžiamą spinduliuotę, kurios didžiąją dalį sudaro atskirų atomų ir jų jonų spektrai.
Beveik visą informaciją apie mus supantį pasaulį gauname stebėdami šviesą, tirdami įvairių diapazonų elektromagnetinę spinduliuotę. Iki šiol tiesiogiai „pačiupinėti“ mokslininkai galėjo tik Mėnulį, Marsą ir Venerą. Informacija apie kitas planetas ir žvaigždes, pradedant Saule ir baigiant tolimiausių galaktikų žvaigždėmis, gaunama tik stebint jų skleidžiamą spinduliuotę, kurios didžiąją dalį sudaro atskirų atomų ir jų jonų spektrai.
Spinduliuotės tyrimai leidžia nustatyti žvaigždžių cheminę sudėtį, jų dydį, judėjimo greitį ir t. t. O tam reikia suprasti įvairių elementų atominę sandarą ir jos pokyčius.
„Mes kuriame atomo teoriją ir ją naudojame skaičiuoti atomo charakteristikoms, kurios ateity gali būti panaudotos žvaigždžių tyrimuose, plazmos tyrimuose ir kitose srityse. Mes patys nemodeliuojame, bet suteikiame pradinę informaciją, be kurios žvaigždžių modeliavimas neįmanomas“, – sako prof. Pavelas Bogdanovičius.
Šių metų Lietuvos mokslo premijos laureato fiziko prof. P. Bogdanovičiaus grupė tęsia atomo tyrimų pradininko Lietuvoje prof. Adolfo Jucio darbus. Atomo teorijos sukūrimas ir jos plėtra įvairių sričių mokslininkams, ypač astronomams, suteikė ypač galingus instrumentus ir metodus – galima sakyti, superregėjimą ir galimybę prognozuoti medžiagų elgesį ekstremaliomis sąlygomis.
„Jau XIX amžiuje pradėtas žvaigždžių, visų pirma – Saulės, spektrų tyrimas. Pagal Saulės spektrą buvo atrastas He atomas, kuris Žemėje nebuvo atrastas. Ilgai mokslininkai negalėjo paaiškinti, kaip atsiranda linijiniai atomų spektrai. Tik XX a. pradžioje atsirado pirmas teisingas atomo branduolio modelis“, – pasakoja P. Bogdanovičius.
Modelį sukūrė Ernestas Rezerfordas, o prieš šimtą metų kitas genialus fizikas Nilsas Boras išvedė atomo teoriją iš aklavietės, pasiūlydamas savo postulatus. Praėjus dar dešimčiai metų, gimė kvantinė mechanika, kuri ir ėmė tyrinėti atomus.
„Atomas – tai branduolys, sudarytas iš protonų ir neutronų, apie kurį juda elektronai. Net jeigu yra vienas elektronas, galima paskaičiuoti jo galimas energijas. Egzistuoja tam tikros energijos, kurias atomas gali turėti. Jis ją išspinduliuoja arba absorbuoja, šokdamas iš vieno lygmens į kitą“, – aiškina pašnekovas.
Mokslininkai skaičiuoja, kokie bangų ilgiai bus spinduliuojami arba sugeriami. Taip pat apskaičiuoja elektronų šuolių tikimybes, kurių eksperimentais nustatyti iš esmės neįmanoma. Pagal šiuos duomenis apskaičiuojamas medžiagos kiekis plazmoje. Visai neseniai tokia informacija pasinaudoję JAV astrofizikai, kartu su Lietuvos atomo žinovais, išspausdino bendrą mokslinį straipsnį „Sieros antrojo jono panaudojimas tiriant galaktikos cheminę evoliuciją“.
„Jiems reikėjo mūsų duomenų, mes ilgai skaičiavome. Įvedę juos į savo programas, astronomai sugeba tirti cheminę evoliuciją. Evoliucionuojant galaktikoms, atsiranda vis sunkesnių elementų. Jaunose galaktikose tų elementų bus mažai, bet sprogus tokiai žvaigždei, atsiranda naujų cheminių elementų“, – sako P. Bogdanovičius.
Mįslė – ne tik cinko kiekis Saulėje
Kosmose veikiančios rentgeno spindulių observatorijos „XMM-Newton“ ir „Chandra“ fiksuoja spektrus trumpų bangų srityje, o jų matavimų tikslumas ir jautrumas dažniausiai dešimtis kartų viršija optinio spektro matavimus. Šiai analizei reikia atominių duomenų.
Atominiai parametrai būtini, modeliuojant matuojamus rentgeno spektrus ir taip gaunant informaciją apie tokius astrofizikos objektus, kaip neutroninės žvaigždės, juodosios skylės, kvazarai, supernovos liekanos, dvinarės rentgeno žvaigždės, aktyviųjų galaktikų branduoliai ir kt. Šiuo metu tokio pobūdžio duomenų atviros prieigos bazėse nėra. Todėl būtina duomenų bazė, kuri turėtų pilną atominių parametrų rinkinį ir apimtų visą astrofizikus dominantį atomų ir atominių jonų diapazoną.
Pasak P. Bogdanovičiaus, žvaigždėse dėl branduolinių reakcijų iš vienų branduolių gaminami kiti: „Mūsų Saulėje, susiliejant vandenilio atomams, sintetinamas helis. Gaminami ir kiti lengvieji elementai. Bet kartais tos žvaigždės sprogsta. Tokių sprogimų metu labai sunkūs branduoliai pradeda jungtis tarpusavyje ir šitaip atsiranda didelis kiekis sunkių branduolių. Jie išsisklaido po Visatą“.
Saulės sistema irgi atsirado dėl to, jog kažkada sprogusios žvaigždės prigamino sunkesnių atomų. Jiems vėl susikoncentravus, gimė naujo tipo žvaigždė – Saulė, aplink kurią ilgainiui ėmė formuotis įvairios planetos.
Matuojant dangaus kūnų spinduliavimą spektrometrais, gaunami spektrai su daugybe linijų. Kadangi įvairių cheminių elementų bangų ilgiai gerai žinomi, juos nesunku identifikuoti. Tačiau norint nustatyti jų kiekį, jau reikia teorinių skaičiavimų.
Metodai tokie efektyvūs, jog užregistravus net tolimiausių galaktikų spektrus, jau galima pasakyti, kokių medžiagų ten yra. Tiesa, kartais ta informacija suglumina astronomus.
„Mes neseniai tyrėme cinko gausumą Saulėje. Yra tokia problema – cinko gausumas, skaičiuojant geležies atžvilgiu, Saulėje ne toks kaip meteorituose. Mūsų teoriniai rezultatai sutapo su kitų mokslininkų gautais teoriniais rezultatais“, – teigia P. Bogdanovičius.
Taigi, Saulėje cinko aiškiai per mažai, palyginus, pavyzdžiui, su meteoritais. Ir tai ne vienintelė mįslė, kurią dar teks įminti. „Egzistuoja keliolika žvaigždžių galaktikoje, kuriose labai daug technecio (Tc). Viskas būtų normalu, jeigu Tc branduolys būtų stabilus. Bet jo pusamžis – keli tūkstančiai metų. Per milijardus metų, kiek egzistuoja žvaigždės, Tc turėjo jose išnykti. Bet neišnyko. Vadinasi, egzistuoja procesai, kurie padidina Tc kiekį žvaigždėse. Mūsų tikslas buvo suskaičiuoti Tc fizikines charakteristikas. Patikslint jo gausos nustatymą. Problema labai įdomi. Žvaigždžių modeliais negalima paaiškinti, iš kur jose egzistuoja Tc“, – pasakoja P. Bogdanovičius.
Vykdo ekstremaliausią eksperimentą Žemėje
Atomų ir molekulių spektroskopiniai duomenys reikalingi daugelyje mokslo sričių: astrofizikoje, termobranduolinės plazmos fizikoje, atmosferos fizikoje ir chemijoje, kvantinėje optikoje, aplinkos tyrimuose. Negana to, šia informacija naudojasi puslaidininkinių prietaisų, vidaus degimo variklių konstruktoriai, nanotechnologijų bei molekulinės biologijos specialistai.
Pastaraisiais dešimtmečiais VU Teorinės fizikos ir astronomijos instituto Atomo teorijos skyriuje buvo sukurti nauji efektyvūs teorinių skaičiavimų metodai. Šiuo metu mokslininkai labai tiksliai apskaičiuoja praktiškai visų atomų bei jų jonų charakteristikas, reikalingas plazmai modeliuoti. Atsirado galimybė apskaičiuoti įvairių sudėtingų daugiaelektronių atomų savybes.
„Skaičiuodami gauname labai daug informacijos. Publikuoti jos neįmanoma, nes perdaug duomenų. Be to, pradėjome bendradarbiauti su ITER projektu. Jo duomenų bazėje kaupiami branduolinės plazmos modeliavimo duomenys. Mūsų paprašė atlikti kai kuriuos skaičiavimus. Bet tai irgi tėra labai maža dalis to, ką mes turime. Todėl kilo idėja visą šią informaciją kaupti vienoje vietoje“, – sako P. Bogdanovičius. Šį ES fondų remiamą projektą autoriai pavadino „Atominių duomenų bazės ADAMANT astrofizikinei, technologinei ir laboratorinei plazmai modeliuoti sukūrimas ir pildymas“. Panašios duomenų bazės kuriamos Jungtinėje Karalystėje ir Japonijoje, kitose šalyse. Tačiau juose kaupiami eksperimentiniai ir pusiau empiriniai duomenys nebepatenkina išaugusių mokslininkų poreikių.
„Kai kam atrodo, kad atomas ištirtas ir jau seniai viskas žinoma. Iš tiesų, yra ne taip. Iš kitos pusės, su atomais labai daug dirbama“, – teigia pašnekovas.
Šiomis teorinių skaičiavimų galimybėmis jau prieš kelerius metus susidomėjo valdomos termobranduolinės reakcijos – ITER projekto vykdytojai. Lietuvos mokslininkai buvo pakviesti jame dalyvauti. Pagrindinė šių darbų kryptis – daugiakrūvių volframo jonų spektrinių charakteristikų teoriniai skaičiavimai, nes eksperimentinių duomenų yra mažai ir jie labai sunkiai gaunami. Volframu yra padengtos sienelės reaktoriaus, kuriame tikimasi sukurti valdomą termobranduolinę reakciją, įkalinant magnetiniuose laukuose itin karštą plazmą. Tačiau procesas vyksta labai lėtai, projekto autoriai susiduria su daugybe sunkumų.
Anot P. Bogdanovičiaus, volframas garuodamas patenka į plazmą ir iš jos atima daug energijos: „Iš kitos pusės, jo buvimas plazmoje, spektrinių charakteristikų nustatymas leidžia nustatyti tos vietos temperatūrą ir diagnozuoti plazmos elgesį bei savybes, jos temperatūrą“.
Nors tai kaprizinga medžiaga, volframui konkurentų nėra. Prieš keliasdešimt metų jis buvo naudojamas pirmuosiuose reaktoriuose. Vėliau jį pamėgino pakeisti anglies junginiais. Deja, tai nepasiteisino. Tad belieka kuo geriau pažinti šio cheminio elemento savybes.
„Volframo jonai blogai ištirti ir mes skaičiuojam jų spektrines charakteristikas, energijos spektrus. Net tie spektrai nėra žinomi, nekalbant apie šuolio charakteristikas. Lygmenų skaičius labai didelis“, – aiškina P. Bogdanovičius.
Kaip žinoma, dėl termobranduolinių reakcijų egzistuoja mūsų Visata. Visa energija žvaigždėse atsiranda, lengvesniems atomams jungiantis į sunkesnius.
„Žmonės įsisavino tą reakciją, sukūrę termobranduolinę bombą. Bet tai nevaldoma reakcija, jos metu išsiskiria daug energijos. Šios energijos panaudoti neįmanoma. Todėl buvo pradėta galvoti, kaip ją panaudoti taikiems tikslams, energijos gamybai“, – sako mokslininkas.
Bėda, kad šios idėjos įgyvendinimas labai užsitęsė. Bet dabar didžiausios pasaulio šalys sutelkė jėgas ITER projekte. Tikimasi, kad šiame reaktoriuje energijos išeiga bus teigiama. Norint tą pasiekti, reiks itin stiprių magnetinių laukų, didelių srovių, didžiulių įrenginių. Tai bene pats ekstremaliausias eksperimentas Žemėje.
„Blogai, kad termobranduolinė plazma labai nestabili. Ją reikia išlaikyti tam tikrą laiką, o niekaip nepavyksta. Tikimasi, kad šis reaktorius pradės veikti maždaug 2050 metais“, – pasakoja P. Bogdanovičius.
Projekto autoriai ketina apskaičiuoti volframo, molibdeno ir kai kurių kitų sunkiųjų elementų spektrų ypatybes. Šie jonai labai svarbūs aukštos temperatūros plazmos tyrimams. Ji naudojama nanotechnologijose kaip kelių nanometrų bangos ilgio rentgeno spindulių šaltinis. Tokie šaltiniai naudojami šiuolaikinėje litografijoje, gaminant ypatingai mažus elektronikos elementus. Štai kodėl Lietuvoje atliekami tyrimai svarbūs viso pasaulio mokslo pažangai.
