Kosmiczne tsunami, czyli jak fale uderzeniowe od miliardów lat kształtują wszechświat
Tsunami (jap. „fala portowa”) to zjawisko morskie wywołane zwykle trzęsieniem ziemi, wybuchem wulkanu lub podobnym gwałtownym zdarzeniem. Efektem jest niszcząca fala, osiągająca nawet kilkadziesiąt metrów wysokości (na wybrzeżu) i wiele kilometrów długości. Nazwę tę przejęli dla siebie astrofizycy. Oczywiście w przypadku kosmosu wszystko wygląda inaczej, bo tsunami rozchodzi się w ośrodku znacznie rzadszym niż woda. Trzeba tu przypomnieć, że wprawdzie pustkę kosmiczną nazywamy próżnią, ale materia tam jest, tyle że jest jej skrajnie mało. Według szacunków na 1 cm3 teoretycznie pustej przestrzeni przypada średnio 1 atom. Na Ziemi nie udaje nam się stworzyć takiej próżni jak w kosmosie, chociaż mamy pompy próżniowe. Najlepsza sztuczna próżnia jest miliony razy słabsza. Ale pomimo tak niewielkiej gęstości materii w przestrzeni kosmicznej występują gwałtowne zjawiska kształtujące wszechświat, znane pod nazwą fali uderzeniowej.
Falę uderzeniową, a właściwie jej efekty, znamy dobrze. To np. silny huk towarzyszący samolotom przekraczającym barierę dźwięku, ekstremalnie silnym wybuchom czy wtargnięciu w atmosferę ziemską większego meteoroidu (np. w Czelabińsku w 2013 r.). Dochodzący do nas dźwięk jest wynikiem gwałtownego wzrostu ciśnienia akustycznego, który następuje, gdy jakiś obiekt porusza się z prędkością większą niż szybkość dźwięku w danym ośrodku. W przypadku ziemskiego oceanu tsunami falą uderzeniową w sensie fizycznym nie jest.
Przenieśmy się teraz w kosmos. Materia rozkłada się w nim bardzo nierównomiernie. Istnieją planety, gwiazdy zwykłe i bardzo gęste gwiazdy neutronowe, a także obiekty o ekstremalnej gęstości – czarne dziury. Przestrzeń zasadniczo pozostaje jednak praktycznie pusta. Jak wspomniałem, są tam tylko pojedyncze atomy. Największe obiekty – galaktyki i gromady galaktyk – cały czas się poruszają, często zderzają i wywołują wielkoskalowe efekty. Oczywiście tego ruchu nie możemy obserwować tak, jak widzimy choćby ruch planet w Układzie Słonecznym. Wynika to z tego, że wszelkie te obiekty znajdują się w olbrzymich odległościach od Ziemi. Ale nawet gdybyśmy byli blisko, nie mielibyśmy szans realnie usłyszeć tego huku. Na szczęście dzięki istnieniu fal elektromagnetycznych mamy możliwość zdalnego śledzenia wielu takich zdarzeń, z których każde jest na nieco innym etapie. Pozwala to na wyciąganie wniosków na temat ewolucji wszechświata.
Narzędzia obserwacji
Atmosfera ziemska to mieszanina wielu gazów przepuszczalna dla światła widzialnego (dlatego obserwujemy Słońce i inne gwiazdy) oraz częściowo dla promieniowania podczerwonego i radiowego. W tych zakresach możemy prowadzić obserwacje z naszego globu, do czego służą teleskopy optyczne, a także, w pewnym zakresie fal, radioteleskopy. Niestety (choć dla naszego istnienia na szczęście), atmosfera nie przepuszcza promieniowania gamma oraz większości promieniowania ultrafioletowego. Aby śledzić zjawiska w tych zakresach, trzeba wysłać teleskopy w przestrzeń kosmiczną, przynajmniej kilkaset kilometrów nad powierzchnię Ziemi.
Obserwowanie fal uderzeniowych w kosmosie wymaga wielu danych uzyskiwanych w bardzo szerokim zakresie długości fal elektromagnetycznych. Gorący gaz w gromadach galaktyk wykrywamy w zakresie promieniowania X (czyli rentgenowskiego). Te obserwacje prowadzone są przy użyciu wyniesionych w kosmos w 1999 r. teleskopu Chandra oraz satelity naukowego XMM-Newton. Co ciekawe, zarówno teleskop, jak i satelita miały działać w kosmosie najwyżej 5 lat, ale ich misja na szczęście trwa już ponad ćwierć wieku. Obserwacji dokonuje się także w zakresie promieniowania radiowego niskiej częstotliwości (30–240 MHz). Głównym urządzeniem, a w zasadzie zespołem urządzeń służących do tego jest LOFAR, czyli sieć radioteleskopów rozsianych po całej Europie z główną siedzibą w Holandii. Polska także uczestniczy w tym projekcie. Wynikiem jest analiza elektronów przyspieszanych przez fale uderzeniowe.
Do tego dochodzą badania prowadzone w obszarze podczerwieni (IR) oraz w świetle widzialnym. Zajmował się tym w latach 2003–2020 teleskop Spitzer, natomiast misja znajdującego się na Hawajach teleskopu Pan-STARRS trwa nieprzerwanie od 2010 r. i dostarcza olbrzymiej ilości danych na temat komet, planetoid i obiektów Pasa Kuipera, ale także obiektów znajdujących się w tzw. głębokim kosmosie. Dane spływające z Pan-STARRS będą analizowane jeszcze przez wiele lat. W tym przypadku obserwujemy łuki oraz mgławice. Pełne opracowanie tych wszystkich wyników pozwala na zbudowanie i testowanie kolejnych modeli wielu wielkoskalowych zjawisk. Tak naprawdę dopiero wtedy, gdy ten ogrom danych zostanie zagregowany i uporządkowany, specjaliści mogą przystąpić do wizualizacji tych zjawisk.
Do głosu dochodzą komputery
Ponieważ nie możemy zmieścić wszechświata w żadnym laboratorium, bardzo często uciekamy się do konstruowania i testowania modeli komputerowych i porównywania ich wyników z tym, co obserwujemy w różnych miejscach kosmosu. W tym przypadku podstawą fizyczną programów jest hydrodynamika. Tu warto przypomnieć, że nauka ta zajmuje się dynamiką płynów (a więc cieczy, ale też i gazów), a kosmos jako całość można traktować jako swego rodzaju gaz, choć ekstremalnie rozrzedzony.
Symulacje komputerowe wymagają oczywiście wysoce specjalistycznych programów oraz komputerów o potężnej mocy obliczeniowej. Przykładowo – grupa badawcza z Triestu używa zbudowanego dla NASA superkomputera Pleiades, jednego z najszybszych na świecie (ponad 230 tys. procesorów Xeon). Chociaż oprogramowanie jest rozwijane od lat i optymalizowane, pojedyncza symulacja zderzenia gromad galaktyk i powstawania fal uderzeniowych, które z kolei formują nowe struktury kosmiczne, trwa od kilku miesięcy do kilku lat (!). Tutaj trzeba dodać, że jest to odpowiednik kilkudziesięciu milionów rdzeniogodzin, czyli czasu potrzebnego komputerowi z jednym rdzeniem do wykonania obliczeń. Mówiąc w wielkim uproszczeniu: program symulacyjny zostaje uruchomiony i w zależności od tego, jak duża liczba danych została do niego załadowana, pracuje od kilku miesięcy do nawet lat. W efekcie otrzymujemy całą masę wyników, które z kolei są analizowane i porównywane z danymi obserwacyjnymi. Następnie modyfikuje się dane początkowe i cały proces powtarza, często zmieniając też samo oprogramowanie. Powolna i mrówcza praca tylko dla bardzo cierpliwych.
Odległe źródła
Kosmos zmienia się dynamicznie, choć prędkość tych zmian jest dla nas słabo zauważalna. Jednym ze spektakularnych zjawisk kosmicznych jest wybuch supernowej. W tym przypadku masywna gwiazda po ustaniu reakcji termojądrowych we wnętrzu zaczyna się zapadać pod wpływem grawitacji, aż w końcu jej temperatura rośnie do takiej wartości, że następuje gwałtowna eksplozja. W jej wyniku cała lub prawie cała materia zostaje wyrzucona w przestrzeń i tworzy się fala uderzeniowa, która spręża gaz międzyplanetarny. Powoduje to zmianę jego gęstości i temperatury, co możemy obserwować m.in. metodami spektroskopowymi. Pomiary te dają szansę na oszacowanie nie tylko prędkości fali, ale też lokalnej temperatury, która z czasem opada, ponieważ dochodzi do dyssypacji (rozproszenia) energii.
Innym źródłem kosmicznej fali uderzeniowej, fizycznie zbliżonym do efektu przekraczania przez samolot bariery dźwięku, jest szybki przelot swobodnej gwiazdy. Klasyczny przykład to gwiazda Kappa Kasjopei (k Cas) o średnicy mniej więcej 80 razy większej od Słońca. Ten gorący supergigant porusza się z szybkością 1100 km/s (3,96 mln km/h), sprężając przed sobą gaz międzygwiazdowy, co powoduje powstawanie przed nim łukowej fali uderzeniowej (ang. bow shock), zaczynającej się ok. 4 l.św. przed nim. Łuk ma 12 l.św. długości i 1,8 r.św. szerokości. Sprężanie gazu powoduje oczywiście wzrost jego temperatury, początkowo do setek tysięcy stopni Celsjusza. Potem następuje dyssypacja energii, temperatura gazu i pyłu spada, ale utrzymuje się w granicach od -223°C do -73°C. I właśnie ten rozgrzany pył emituje promieniowanie podczerwone, widoczne doskonale na zdjęciach. Oczywiście po przelocie gwiazdy gaz i pył ulegają ponownie rozproszeniu, a wielki spektakl na niebie się kończy.
Kolejne źródło fali uderzeniowej to dżety (ang. jets), czyli strumienie materii emitowane przez czarne dziury, bieguny jądra galaktyki lub gwiazdy neutronowe. Materia ta jest wysoce zjonizowana i często porusza się z szybkościami bliskimi prędkości światła. Dżety występują zawsze parami i emitowane są w dwóch kierunkach, prostopadle do płaszczyzny obrotu danego obiektu. Nadal niewiele wiemy o tym, jak powstają i jak dokładnie wygląda oddziaływanie plazmy dżetowej z otaczającą materią. Mamy jednak coraz więcej danych obserwacyjnych (m.in. z teleskopu Jamesa Webba) pokazujących jednoznacznie, że te wąskie strumienie plazmy generują naprawdę silne fale uderzeniowe.
Ponieważ fale uderzeniowe niosą olbrzymią, niewyobrażalną wręcz energię, oddziałują na wszystkie napotkane na swojej drodze struktury. „Zapalają gwiazdy”, tzn. powodują takie zgęstnienie materii, że w obiekcie dochodzi do samopodtrzymującej się reakcji jądrowej. Niby kosmiczny rzeźbiarz kształtują materię całych mgławic (patrz: piękne zdjęcia pary obiektów HH 49/50, znanej jako Kosmiczne Tornado). Bez cienia przesady można powiedzieć, że duże fale uderzeniowe zmieniają strukturę całych gromad galaktyk. Jednocześnie trzeba mieć na uwadze transfer energii – z miejsc, w których jest w pewnym sensie skondensowana, do takich, gdzie pozostaje niewielka. Proces ten oczywiście postępuje bardzo wolno, nawet w skali kosmicznej, ale prowadzi do wyrównywania się temperatury wszechświata.
Naukowa fala uderzeniowa
Warto tu przy okazji wspomnieć o tym, że prowadzone już od lat badania nad falami uderzeniowymi w kosmosie spowodowały swoisty efekt naukowej fali uderzeniowej, czyli przyspieszenia badań tematów w pewnym sensie ubocznych. Należy do nich np. fizyka cząstek wysokiej energii. To, co się dzieje w fali uderzeniowej oraz blisko niej, jest swoistym zderzaczem cząstek – miliardy razy potężniejszym niż LHC znajdujący się w Szwajcarii. Dochodzi tu do olbrzymich ruchów materii, głównie silnie zjonizowanej plazmy poruszającej się niekiedy z prędkościami zbliżonymi do szybkości światła.
Kolejnym obszarem analiz są pola magnetyczne. Powstają one zawsze, gdy dochodzi do ruchu ładunku elektrycznego. Tego typu pola magnetyczne są bardzo silne i oddziałują na duże odległości z polami magnetycznymi gwiazd i galaktyk, często zmieniając ich kształt. Badania takich pól, a w zasadzie efektów wywoływanych w otaczającej materii, dają astrofizykom bardzo dużo użytecznych informacji czysto fizycznych. Takich analiz nigdy nie będziemy w stanie prowadzić na Ziemi.
Inny temat, który od lat spędza sen z powiek fizykom, to ciemna materia i ciemna energia. Obserwacje zwykłej materii (tzw. barionowej) na poziomie kosmicznym oraz ich analiza mogą wiele powiedzieć o tych mało jeszcze poznanych pojęciach. Trzeba jednak podkreślić, że fale uderzeniowe nie dostarczą nam bezpośrednich danych dotyczących ciemnej materii, ale na pewno coś podpowiedzą. Niektóre nowsze modele ciemnej materii sugerują możliwość zderzeń wywołanych przez nią samą (tzw. self-interacting dark matter, SIDM) i czasami powstawania fal uderzeniowych wskutek tych procesów.
Jedno pozostaje pewne: opisywane tu kosmiczne zdarzenia, a przede wszystkim ich rozmiary, są trudne do ogarnięcia. Nasza wyobraźnia jest zbyt ograniczona, abyśmy uświadomili sobie masy sprężanego gazu rozciągające się na miliony lat świetlnych. Mamy jednak szczęście, że kataklizmy te następują bardzo daleko, zwykle miliardy lat świetlnych od Układu Słonecznego. Możemy więc spokojnie je obserwować, zyskując olbrzymią wiedzę na kosmicznym poziomie.