Mokslo ir technologijų pasaulis

Gyvendami Lietuvoje, mes nesusiduriame su reikšmingais potvyniais (išskyrus kartais, kai pavasarį patvinsta Nemunas), bet didelei daliai Žemės gyventojų jie yra kasdienybės dalis. Du kartus per parą vanduo pakyla – kartais net daugiau nei penkis metrus – ir du kartus nusileidžia tiek pat. Potvyniai yra labai reguliarūs, jų aukštis beveik nekinta, o aukščiausio ir žemiausio vandens lygio laikas kinta prognozuojamai. Tai neturėtų stebinti: potvynius daugiausiai nulemia Mėnulis, kurio judėjimą valdo tiksliai prognozuojama gravitacijos jėga. Bet potvyniai nėra tik Žemės vandenynų reikalas: tokios pačios jėgos valdo ir kai kurių planetų judėjimą, ardo žvaigždes ir galaktikas ir galbūt net sukelia periodiškus gyvybės išnykimus Žemėje.

Potvynius – tuos, kurie reguliarūs kasdieniniai, o ne sezoniniai – sukelia gravitacija. Tiksliau sakant, Mėnulio ir Saulės gravitacija. Mėnulio gravitacija šiuo atveju yra svarbesnė, todėl pradžiai Saulę palikime nuošalyje. Mėnulio gravitacija traukia Žemę, kaip ir Žemės – Mėnulį. Tačiau ne visą Žemę Mėnulis traukia vienodai: tą tašką, kuris arčiausiai Mėnulio, traukia stipriau, nei planetos centrą, o pastarąjį – stipriau, nei priešingame krašte esantį tašką. Tad visa planeta, jei tik galėtų, po truputį išsitemptų į pailgą siūlą, nutįsusį Mėnulio link. Laimei, uolienų cheminiai ryšiai ir pačios Žemės gravitacija neleidžia to padaryti, tačiau vanduo Mėnulio traukos skirtumams pasiduoda, ir Žemėje visą laiką egzistuoja dvi vandens bangos: viena pakilusi nuo paviršiaus Mėnulio link, kita pakilusi nuo paviršiaus priešingoje Žemės pusėje.

Šios bangos Mėnulio atžvilgiu išlieka toje pačioje padėtyje, tačiau Žemė sukasi, ir per parą apsisuka vieną ratą. Taigi planetos paviršiaus atžvilgiu bangos juda priešinga kryptimi, nei sukasi pati planeta. Stovėdami bet kuriame taške, matysime, kaip maždaug du kartus per parą aplink mus esantis vanduo pakyla, ir du kartus – nusileidžia. Truputį tiksliau – tarp dviejų potvynio maksimumų reikės laukti maždaug 12 valandų 25 minutes, nes Mėnulis, skriedamas aplink Žemę, nuolatos pasislenkia šiek tiek į priekį. Per parą jis pajuda apie 50 minučių į priekį, o per 28 su trupučiu paros – mėnesį – apsuka visą 24 valandų ratą.

Štai tokia yra potvynių Žemėje esmė. Bet toks paaiškinimas neapima daugybės detalių. Kodėl Atlanto vandenyne potvyniai vyksta, o Baltijos jūroje – ne? Potvynio aukštį didele dalimi nulemia vandens telkinio plotis rytų-vakarų kryptimi. Gana neblogai tą galime įsivaizduoti tokiu būdu: Mėnulis kelia potvynio bangą tik tada, kai yra virš vandens telkinio. Kuo platesnis telkinys, tuo ilgiau Mėnulis skrieja virš jo, todėl ir bangą pakelia aukštesnę. Baltijos jūra yra palyginus siaura, taigi ir potvynio bangų aukštis siekia ne daugiau keliolikos centimetrų. Tuo tarpu vandenynuose gali pasiekti ir keletą metrų. Žinoma, įtakos turi ir vandens telkinio gylis (kontinentinis šelfas laužia bangas ir silpnina potvynius), pakrantė (stačios uolos ir nuožulnus paplūdimys bangas laužia skirtingai) ir įvairūs kiti reiškiniai.

Taip pat potvynio bangų aukštis kinta mėnesiui bėgant. Jaunaties ir pilnaties metu potvyniai yra aukštesni, o atoslūgiai – gilesni, nei priešpilnio ir delčios. Jie net pavadinimus skirtingus turi, bent jau anglų kalba: „šokantis“ potvynis (spring tide) ir „žemutinis“ (neap tide). Šiuos skirtumus sukelia Saulės gravitacija, mat ji irgi kuria potvynius. Tik Saulės keliami potvyniai yra maždaug dvigubai mažesni, nei Mėnulio, todėl atskirai apie juos nekalbame. Bet kai Mėnulis ir Saulė yra toje pačioje arba tiksliai priešingose dangaus pusėse, jų potvyniai susideda, ir banga tampa aukštesnė. Ir priešingai – kai atstumas danguje tarp jų yra ketvirtis apskritimo, potvynis būna mažesnis.

Kaip Mėnulis kelia potvynius Žemėje, taip ir Žemė tampo Mėnulį. Tik Mėnulyje nėra vandens, kuris judėtų potvynio bangomis. Tačiau tolimoje praeityje, kai Mėnulis dar sukosi aplink savo ašį greičiau, nei aplink Žemę, planetos trauka palydovą ištempė į šiek tiek pailgą formą – potvyninės jėgos užteko, kad ištemptų Mėnulio uolienas. Taip ištemptas Mėnulis patogiausiai jautėsi tada, kai ilgoji ašis nukreipta tiksliai Žemės link, tad suktis aplink savo ašį jam darėsi vis sunkiau. Galiausiai Mėnulis tokioje padėtyje ir nusistovėjo, ir liko visada nukreipęs vieną šoną į Žemę. Ir sukasi jis aplink savo ašį taip pat lėtai, kaip ir aplink Žemę – vieną kartą per 28 su trupučiu paros.

Tokie objektai, kaip Mėnulis, kurie gretimam kūnui visada atsukę vieną pusę, vadinami potvyniškai prirakintais. Saulės sistemoje pavyzdžių randame ir daugiau: Jupiterio palydovai Ijo, Ganimedas, Europa ir Kalista yra prirakinti prie Jupiterio, Plutonas ir Charonas susirakinę vienas su kitu. Nemažai egzoplanetų yra taip arti savo žvaigždžių, kad neabejotinai yra prirakintos prie jų – nors to patikrinti tiesioginiais stebėjimais negalime, skaičiavimai rodo, kad toks scenarijus labai tikėtinas. Be to, kažką panašaus turime ir Saulės sistemoje: artimiausia Saulei planeta Merkurijus yra dalinai prirakintas prie Saulės. Rašau „dalinai“ todėl, kad Merkurijus aplink savo ašį apsisuka tris kartus, kol aplink Saulę apskrieja du. Tokia būsena – vadinama rezonansu – yra labai stabili ir mažai tikėtina, kad planeta kada nors iš jos išsivaduos. Tačiau ją sukeliantis procesas yra toks pat, kaip potvyninio prirakinimo. Taigi jei Merkurijui, kuris egzoplanetų standartais yra ganėtinai toli nuo žvaigždės, užteko laiko prisirakinti prie Saulės, tai daugeliui egzoplanetų tikrai pakako laiko prisikabinti prie savo žvaigždžių.

Potvyniai gali ne tik prirakinti objektus prie kitų, bet ir juos išardyti į gabalus. Štai įsivaizduokime tą patį Mėnulį. Žemės gravitacija tempia jo kraštus į šalis, bet labai toli ištempti nepajėgia, nes potvyninei jėgai sėkmingai priešinasi paties Mėnulio gravitacija. Kiekvieną Mėnulio paviršiaus tašką daug stipriau traukia jo paties gravitacija, negu Žemės. Bet taip būna ne visada – kartais gretimo objekto gravitacija tampa stipresnė ir suplėšo kaimyną. Taip gali nutikti, pavyzdžiui, žvaigždei, jei ji pralekia gana arti juodosios skylės, arba nykštukinei galaktikai, krentančiai į didesnę. Proceso detalės priklauso nuo įvairių abiejų objektų savybių, bet apytikriai suskaičiuoti suardymo sąlygas nesunku: suardymas įvyksta, kai ardančio objekto masė, padalinta iš atstumo tarp kūnų kubo, viršija ardomo kūno tankį: \(M/R^3>p\)

Potvyninis žvaigždės suardymas greta supermasyvios juodosios skylės galaktikos centre sukelia žybsnį, kurį galime stebėti keletą mėnesių ar net metų. Jo šviesis kinta labai specifiškai, pagal laipsninę priklausomybę \(L∝t^{-5/3}\). Tai reiškia, kad jei kažkuriuo laiko momentu po žybsnio pradžios išmatuojame šviesį, tai praėjus dvigubai daugiau laiko jis sumažės daugiau nei trigubai, o praėjus trigubai daugiau laiko – šešiagubai, ir taip toliau. Stebėdami šiuos įvykius geriau suprantame ir žvaigždžių, ir juodųjų skylių savybes.

Būna ir tokių situacijų, kai potvyninė jėga objekto visiškai nesuardo, bet po truputį „nuvalgo“ išorinius jo sluoksnius. Taip gali įvykti žvaigždei lekiant šalia, bet ne pernelyg arti, supermasyvios juodosios skylės, bet daug įdomesnis scenarijus nutinka kai kuriose dvinarėse žvaigždėse. Masyvesnė sistemos narė vystosi greičiau ir pirmesnė baigia gyvenimą. Jei jos masė viršija aštuonias Saulės mases, žvaigždė virsta neutronine žvaigžde arba juodąja skyle. Po kurio laiko ir antroji žvaigždė ima artėti prie gyvenimo pabaigos ir išsipučia į milžinę ar supermilžinę. Žvaigždė-milžinė yra didžiulė, jos spindulys laisvai viršija Žemės orbitos spindulį. Tokio objekto tankis – labai mažas, tad greta esančio kompaktiško objekto trauka gali nuplėšti išorinius žvaigždės sluoksnius ir prisitraukti juos prie savęs. Toks procesas vadinamas Rošė kevalo perviršiu; Rošė kevalas (angl. Roche lobe) yra kriaušės formos erdvė, kurioje žvaigždės gravitacija dominuoja, lyginant su greta esančiu kitu objektu – šiuo atveju neutronine žvaigžde arba juodąja skyle.

Gali pasirodyti keista, kad tas pats reiškinys, dėl kurio du kartus per dieną pakyla vanduo vandenynų pakrantėse, nulemia ir žvaigždžių subyrėjimą bei energingus žybsnius galaktikų centruose, laiko atsukęs Mėnulį viena puse į Žemę ir padeda aptikti juodąsias skyles. Bet dar nuo Niutono laikų žinome, kad tai, kas vyksta danguje, paklūsta tokiems pat dėsniams kaip ir procesai, vykstantys Žemėje. Taip ir čia – skirtingais masteliais, skirtingiems objektams, bet potvyniai vyksta.