天文學(xué)家：天鵝座方向的星際空間發(fā)生劇烈抖動(dòng)

科學(xué)家首次直接探測(cè)到星際湍流。

類星體TXS 2005+403產(chǎn)生的射電波飛行了大約100億光年后抵達(dá)地球，它穿越了銀河系星際湍流最活躍的區(qū)域之一。圖片左半幅演示了該類星體原本的樣子，右半幅展現(xiàn)了星際湍流對(duì)類星體影像的扭曲。新研究首次直接探測(cè)到了這種扭曲。Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics / Melissa Weiss

看似空無一物的地方，可能并非真的什么都沒有。尤其對(duì)于浩瀚的星際空間而言，那里實(shí)際上充滿了各種離子氣體和自由飛翔的電子云團(tuán)。只是因?yàn)榇蟛糠挚臻g的物質(zhì)密度非常低，它們才顯得“透明”。

不過在這些看似“透明”的空間里，也存在著洶涌的暗潮。它們是隱形的星際湍流——就像被火焰炙烤的熱空氣，能夠扭曲其背景物體的影像——星際湍流也會(huì)產(chǎn)生類似效應(yīng)。天文學(xué)家一直知道這些湍流的存在，但對(duì)其具體結(jié)構(gòu)的理解，卻始終停滯不前。

5月13日，哈佛-史密森天體物理中心的科學(xué)家在一篇論文中稱，他們首次直接探測(cè)到了星際湍流對(duì)光線的扭曲，并稱這一發(fā)現(xiàn)，將有助于使得我們?cè)谂臄z銀河系中心超大質(zhì)量黑洞時(shí)，獲得更加清晰的圖像。

研究人員將目光鎖定在了天鵝座方向的一個(gè)距離地球約100億光年的類星體身上。這個(gè)名為TXS 2005+403的類星體實(shí)際上是星系，因其中心存在活躍的超大質(zhì)量黑洞，而成為了一個(gè)明亮的射電源。

TXS 2005+403產(chǎn)生的射電波在到達(dá)地球的過程中，穿越了天鵝座方向的銀河系星際空間。這一區(qū)域以環(huán)境中充滿了星際湍流和強(qiáng)散射而著稱。它們會(huì)偏轉(zhuǎn)和扭曲射電波。

主持研究的Alexander Plavin表示，到達(dá)地球的大部分射電信號(hào)其實(shí)并非直接來自這個(gè)類星體本身，而是天鵝座方向銀河系湍流產(chǎn)生的散射效應(yīng)。通過研究這種散射和畸變，可以更加深入地理解和推斷該處湍流的結(jié)構(gòu)。

研究人員分析了NSF甚長(zhǎng)基線射電望遠(yuǎn)鏡陣列（VLBA）近十年的檔案數(shù)據(jù)——VLBA是一個(gè)由分布在多地的多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)——結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自TXS 2005+403的射電信號(hào)在穿越銀河系時(shí)，并沒有如預(yù)期的那樣擴(kuò)散成一個(gè)模糊的光斑然后消褪——而是變成了一個(gè)持續(xù)存在的清晰圖案——其信號(hào)不但依然存在，內(nèi)部還產(chǎn)生了不均勻的結(jié)構(gòu)化扭曲。研究人員認(rèn)為，這種奇特的現(xiàn)象，只可能是星際湍流造成的。

研究人員表示，原本人們預(yù)期VLBA可能會(huì)看不到這個(gè)類星體，但是實(shí)際上卻并非如此。這一現(xiàn)象無法用簡(jiǎn)單模糊效應(yīng)或類星體本身特點(diǎn)來解釋。它的表現(xiàn)與人們預(yù)期中星際湍流可能會(huì)造成的結(jié)果完全一致。

研究人員還表示，在這條穿越銀河系的視線上，星際介質(zhì)的散射特性隨著時(shí)間的推移而保持著穩(wěn)定。而該處星際湍流的尺度，大約相當(dāng)于我們的太陽系。

認(rèn)識(shí)這種神秘的湍流，有助于科學(xué)家對(duì)能量在星系中的傳遞方式，以及恒星形成之前星際氣體的行為方式有更深入的理解。

這一發(fā)現(xiàn)可能還有助于人們拍出更加清晰的黑洞照片。

視界望遠(yuǎn)鏡拍攝的銀河系中心黑洞——人馬座A*影像，會(huì)因?yàn)槭艿叫请H湍流散射的影響而變得更加模糊。湍流對(duì)射電波的散射會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化，對(duì)不同頻率射電波的散射作用也不相同。了解其特點(diǎn)有助于在拍攝這類照片時(shí)減少可能會(huì)導(dǎo)致影像變得模糊的因素。

參考

Direct Very Long Baseline Interferometry Detection of Interstellar Turbulence Imprint on a Quasar: TXS 2005+403

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae60f4