Astronomowie przecierają oczy ze zdumienia. Najnowsze odkrycia pokazują, iż potężne turbulencje dosłownie zniekształcają gwiazdy. To zjawisko tak naprawdę całkowicie zmienia nasze postrzeganie kosmosu.
Przestrzeń między gwiazdami nie jest pustką. To ośrodek międzygwiezdny, czyli rozrzedzona mieszanina gazu i pyłu, w której część materii jest zjonizowana, czyli rozbita na jony i swobodne elektrony. W radiu ta plazma działa jak ośrodek optyczny pełen nieregularności. Fale radiowe przechodzące przez takie kłębki elektronów są odchylane i rozpraszane podobnie jak obraz za falującym gorącym powietrzem nad asfaltem.
Astronomowie od dawna zdawali sobie sprawę z istnienia tego zjawiska, obserwując w danych radiowych charakterystyczne migotanie i rozmywanie się źródeł. Problem polegał jednak na tym, iż opierano się wyłącznie na dowodach pośrednich. Obecności turbulencji jedynie się domyślano, a jej rzeczywista struktura przestrzenna pozostawała dla badaczy niemal całkowicie nieuchwytna. Najnowsze wyniki przynoszą jednak wyraźny przełom. Ukazują one uporządkowany, regularnie powtarzający się wzór zniekształceń, którego w żaden sposób nie da się już zrzucić na karb zwykłego rozmycia obrazu.
Kwazar świeci, Droga Mleczna miesza. To idealny eksperyment
Do pomiaru wybrano kwazar TXS 2005+403, jasne źródło radiowe zasilane przez supermasywną czarną dziurę, oddalone o ok. 10 mld lat świetlnych. Najważniejsze nie jest to, co dzieje się w samym kwazarze, tylko to, przez co musi przejść jego sygnał, zanim dotrze do Ziemi. Na tej linii widzenia znajduje się rejon Łabędzia (Cygnus) – jeden z bardziej rozpraszających obszarów naszej Galaktyki, gdzie plazma jest szczególnie turbulentna.
Autorzy badania stawiają sprawę jasno: znaczna część tego, co rejestrują teleskopy, nie jest obrazem samego kwazara, ale efektem rozpraszania sygnału w Drodze Mlecznej. Kwazar pełni tu jedynie rolę dalekiej latarni, podczas gdy nasza galaktyka działa jak gigantyczna, przeszkadzająca w obserwacjach, ale jednocześnie możliwa do zmierzenia soczewka.
Prawdziwy przełom przyniosły dane z Very Long Baseline Array, czyli sieci 10 radioteleskop w rozrzuconych po USA, które pracują jak jeden instrument o rozdzielczości odpowiadającej teleskopowi wielkości kontynentu. Im dalej od siebie są anteny, tym bardziej drobne szczegóły można rozdzielić, o ile oczywiście sygnał w ogóle przetrwa.
Naukowcy przeanalizowali prawie dekadę archiwalnych obserwacji VLBA na częstotliwościach 1-5 GHz (lata 2010–2019). Oczekiwali, iż rozpraszanie zamieni obraz w gładką plamę, która na najdłuższych bazach po prostu zniknie. Stało się jednak odwrotnie: choćby najbardziej odległe pary anten przez cały czas łapały słaby, ale wyraźny sygnał w postaci uporządkowanej podstruktury. To właśnie jest bezpośredni ślad turbulencji – takiej, która nie tylko rozmywa, ale tworzy ziarnistość i nieregularne wzory w sygnale.
W języku radioastronomii chodzi o tzw. refrakcyjną podstrukturę rozpraszania: efekt dużych, turbulentnych soczewek w plazmie, które potrafią utrzymać spójne cechy w danych przez długi czas. Autorzy podkreślają, iż adekwatności rozpraszania na tej linii widzenia okazały się w wieloletnim materiale zaskakująco trwałe.
Galaktyczny wir o gigantycznej skali. To on deformuje sygnał
Najbardziej na naszą wyobraźnię działa fakt, iż mówimy tu o zjawiskach w skali porównywalnej z rozmiarami całego Układu Słonecznego. Nie jest to jedynie niewielki szum na poziomie pojedynczego obłoku gazu. Mamy tu do czynienia z potężnymi strukturami, które w stabilny sposób wpływają na propagację fal radiowych, będąc jednocześnie bezpośrednim efektem rzeczywistego, dynamicznego mieszania się plazmy.
Ten ukryty chaos ma dla astrofizyki podwójne znaczenie. Z jednej strony dostarcza istotnych informacji o przepływie energii w ośrodku międzygwiezdnym i pozwala zrozumieć, jak zachowuje się gaz, zanim grawitacyjnie zapadnie się, dając początek nowym gwiazdom. Z drugiej strony stanowi niezwykle uciążliwą przeszkodę w praktyce badawczej, bo to właśnie te galaktyczne turbulencje potrafią skutecznie degradować ostrość obrazów radiowych, niezależnie od tego, jak nowoczesnymi i perfekcyjnymi teleskopami dysponujemy.
Zespół nie kończy jednak swojej pracy jedynie na analizie archiwów. Już teraz realizowane są dodatkowe obserwacje VLBA, które mają pomóc zmierzyć adekwatności samego ekranu turbulencji i śledzić, jak zmienia się on wraz z ruchem gazu względem Ziemi. jeżeli ten etap się powiedzie, to astronomowie dostaną narzędzie do przewidywania i korekty rozpraszania na innych liniach widzenia.
