Forskere måler alt det stjernelys, der nogensinde er produceret af det observerbare univers

Fra deres laboratorier på en klippeplanet, der er overskredet af det store rum, Forskere fra Clemson University har formået at måle alt det stjernelys, der nogensinde er produceret gennem historien om det observerbare univers.

Astrofysikere mener, at vores univers, som er omkring 13,7 milliarder år gammel, begyndte at danne de første stjerner, da den var et par hundrede millioner år gammel. Siden da, universet er blevet en stjerneskabende tour de force. Der er nu omkring to billioner galakser og en trillion billioner stjerner. Ved at bruge nye metoder til måling af stjernelys, Astrofysiker Marco Ajello fra Clemson College of Science og hans team analyserede data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope for at bestemme historien om stjernedannelse i det meste af universets levetid.

Et samarbejdende papir med titlen "A gamma-ray determination of the Universe's star-formation history" blev offentliggjort den 30. november i tidsskriftet Videnskab og beskriver resultaterne og konsekvenserne af teamets nye måleproces.

"Fra data indsamlet af Fermi-teleskopet, vi var i stand til at måle hele mængden af ​​stjernelys, der nogensinde blev udsendt. Dette er aldrig blevet gjort før, " sagde Ajello, der er hovedforfatter af avisen. "Det meste af dette lys udsendes af stjerner, der lever i galakser. Og så, dette har givet os mulighed for bedre at forstå stjerneudviklingsprocessen og få fængslende indsigt i, hvordan universet producerede sit lysende indhold."

At sætte et tal på mængden af ​​stjernelys, der nogensinde er produceret, har flere variabler, der gør det vanskeligt at kvantificere i enkle vendinger. Men ifølge den nye måling, antallet af fotoner (partikler af synligt lys), der undslap ud i rummet efter at være blevet udsendt af stjerner, oversættes til 4x10 ⁸⁴ .

På trods af dette utroligt store antal, det er interessant at bemærke, at med undtagelse af lyset, der kommer fra vores egen sol og galakse, resten af ​​stjernelyset, der når Jorden, er ekstremt svagt - svarende til en 60-watt pære set i fuldstændig mørke fra omkring 2,5 miles væk. Det skyldes, at universet er næsten ubegribeligt stort. Det er også derfor, himlen er mørk om natten, andet end lys fra månen, synlige stjerner og Mælkevejens svage skær.

Fermi Gamma-ray rumteleskopet blev opsendt i lav kredsløb den 11. 2008, og markerede for nylig sit 10-års jubilæum. Det er et kraftfuldt observatorium, der har leveret enorme mængder af data om gammastråler (den mest energiske form for lys) og deres interaktion med det ekstragalaktiske baggrundslys (EBL), som er en kosmisk tåge bestående af alt det ultraviolette, synligt og infrarødt lys udsendt af stjerner eller fra støv i deres nærhed. Ajello og postdoc Vaidehi Paliya analyserede næsten ni års data vedrørende gammastrålesignaler fra 739 blazarer.

Blazarer er galakser, der indeholder supermassive sorte huller, der er i stand til at frigive snævert kollimerede stråler af energiske partikler, der springer ud af deres galakser og stryger hen over kosmos med næsten lysets hastighed. Når et af disse jetfly tilfældigvis peger direkte mod Jorden, det kan spores, selv når det stammer fra ekstremt langt væk. Gammastrålefotoner produceret i jetflyene kolliderer til sidst med den kosmiske tåge, efterlader et observerbart aftryk. Dette gjorde det muligt for Ajellos team at måle tætheden af ​​tågen ikke bare på et givet sted, men også på et givet tidspunkt i universets historie.

"Gammastrålefotoner, der rejser gennem en tåge af stjernelys, har stor sandsynlighed for at blive absorberet, " sagde Ajello, en adjunkt i afdelingen for fysik og astronomi. "Ved at måle hvor mange fotoner der er blevet absorberet, vi var i stand til at måle, hvor tyk tågen var og også måle, som en funktion af tid, hvor meget lys der var i hele bølgelængdeområdet."

Ved hjælp af galakseundersøgelser, universets stjernedannelseshistorie er blevet studeret i årtier. Men en hindring for tidligere forskning var, at nogle galakser var for langt væk, eller for svag, for nutidens teleskoper at opdage. Dette tvang videnskabsmænd til at estimere stjernelyset produceret af disse fjerne galakser i stedet for direkte at registrere det.

Ajellos team var i stand til at omgå dette ved at bruge Fermis Large Area Telescope-data til at analysere det ekstragalaktiske baggrundslys. Stjernelys, der undslipper galakser, inklusive de fjerneste, med tiden bliver en del af EBL. Derfor, nøjagtige målinger af denne kosmiske tåge, som først for nylig er blevet mulige, eliminerede behovet for at estimere lysemissioner fra ultrafjerne galakser.

Paliya udførte gammastråleanalysen af ​​alle 739 blazarer, hvis sorte huller er millioner til milliarder af gange mere massive end vores sol.

"Ved at bruge blazarer i forskellige afstande fra os, vi målte det samlede stjernelys i forskellige tidsperioder, " sagde Paliya fra afdelingen for fysik og astronomi. "Vi målte det samlede stjernelys for hver epoke - for en milliard år siden, for to milliarder år siden, for seks milliarder år siden, osv. - helt tilbage til da stjerner først blev dannet. Dette gjorde det muligt for os at rekonstruere EBL og bestemme universets stjernedannelseshistorie på en mere effektiv måde, end det var blevet opnået før."

Når højenergi gammastråler kolliderer med lavenergi synligt lys, de omdannes til par af elektroner og positroner. Ifølge NASA, Fermis evne til at detektere gammastråler på tværs af en bred vifte af energier gør den unikt velegnet til at kortlægge den kosmiske tåge. Disse partikelinteraktioner forekommer over enorme kosmiske afstande, hvilket gjorde det muligt for Ajellos gruppe at sondere dybere end nogensinde i universets stjernedannende produktivitet.

"Forskere har forsøgt at måle EBL i lang tid. meget lyse forgrunde som stjernetegnslyset (som er lys spredt af støv i solsystemet) gjorde denne måling meget udfordrende, " sagde medforfatter Abhishek Desai, en færdiguddannet forskningsassistent i afdelingen for fysik og astronomi. "Vores teknik er ufølsom over for enhver forgrund og overvandt dermed disse vanskeligheder på én gang."

Stjernedannelse, som opstår, når tætte områder af molekylære skyer kollapser og danner stjerner, toppede for omkring 11 milliarder år siden. Men selvom fødslen af ​​nye stjerner siden er blevet langsommere, det er aldrig stoppet. For eksempel, omkring syv nye stjerner skabes i vores Mælkevejsgalakse hvert år.

Etablering af ikke kun den nuværende EBL, men at afsløre dens udvikling i den kosmiske historie er et stort gennembrud på dette område, ifølge teammedlem Dieter Hartmann, en professor i afdelingen for fysik og astronomi.

"Stjernedannelse er en stor kosmisk cyklus og genbrug af energi, stof og metaller. Det er universets motor, " sagde Hartmann. "Uden udviklingen af ​​stjerner, vi ville ikke have de grundlæggende elementer, der er nødvendige for livets eksistens."

At forstå stjernedannelse har også konsekvenser for andre områder af astronomisk undersøgelse, herunder forskning vedrørende kosmisk støv, galakseudvikling og mørkt stof. Holdets analyse vil give fremtidige missioner en guideline til at udforske de tidligste dage af stjernernes evolution - såsom det kommende James Webb Space Telescope, som vil blive lanceret i 2021 og vil gøre det muligt for forskere at jage efter dannelsen af ​​urgalakser.

"De første milliard år af vores univers historie er en meget interessant epoke, som endnu ikke er blevet undersøgt af nuværende satellitter, " Ajello konkluderede. "Vores måling giver os mulighed for at kigge ind i den. Måske vil vi en dag finde en måde at se helt tilbage til Big Bang. Dette er vores ultimative mål."