Dette plot viser placeringen af 150 blazars (grønne prikker), der blev brugt i det nye af Fermi Gamma-Ray-teleskopet. Kredit: NASA / DOE / Fermi LAT-samarbejde
Alt lys, der er produceret af hver stjerne, der nogensinde har eksisteret, er stadig derude, men at ”se” det og måle det præcist er ekstremt vanskeligt. Nu var astronomer, der brugte data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope, i stand til at se på fjerne blazarer for at hjælpe med at måle baggrundslyset fra alle de stjerner, der skinner nu og nogensinde var. Dette muliggjorde den mest nøjagtige måling af stjernelys i hele universet, hvilket igen hjælper med at etablere grænser for det samlede antal stjerner, der nogensinde har skinnet.
”Det optiske og ultraviolette lys fra stjerner fortsætter med at rejse gennem hele universet, selv efter at stjernerne ophører med at skinne, og dette skaber et fossil strålingsfelt, som vi kan udforske ved hjælp af gammastråler fra fjerne kilder,” sagde hovedforsker Marco Ajello fra Kavli Institute for Partikel Astrofysik og kosmologi ved Stanford University i Californien og Space Sciences Laboratory på University of California i Berkeley.
Deres resultater giver også en stjernetæthed i kosmos på ca. 1,4 stjerner pr. 100 milliarder kubik lysår, hvilket betyder, at den gennemsnitlige afstand mellem stjerner i universet er ca. 4.150 lysår.
Den samlede sum af stjernelys i kosmos kaldes det ekstragalaktiske baggrundslys (EBL), og Ajello og hans team undersøgte EBL ved at studere gammastråler fra 150 blazars, som er blandt de mest energiske fænomener i universet. Det er galakser, der er drevet af ekstremt energiske sorte huller: De har energier, der er større end 3 milliarder elektron volt (GeV), eller mere end en milliard gange energien fra synligt lys.
Astronomerne brugte fire års Fermi-data om gammastråler med energier over 10 milliarder elektron volt (GeV), og Fermi Large Area Telescope (LAT) instrumentet er den første til at opdage mere end 500 kilder i dette energiområde.
For gammastråler fungerer EBL som en slags kosmisk tåge, men Fermi målte mængden af gammastråleoptagelse i blazarspektre produceret af ultraviolet og synlig stjernelys ved tre forskellige epoker i universets historie.
Fermi målte mængden af gammastråle-absorption i blazarspektre produceret af ultraviolet og synlig stjernelys ved tre forskellige epoker i universets historie. (Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center)
”Med mere end tusind registreret indtil videre er blazars de mest almindelige kilder, der er registreret af Fermi, men gammastråler ved disse energier er få og langt imellem, hvilket er grunden til, at det tog fire års data at foretage denne analyse,” sagde teammedlem Justin Finke, en astrofysiker ved Naval Research Laboratory i Washington.
Gamma-stråler produceret i blazar jetfly rejser over milliarder af lysår til Jorden. Under deres rejse passerer gammastrålerne gennem en stigende tåge med synligt og ultraviolet lys udsendt af stjerner, der dannede sig gennem universets historie.
Lejlighedsvis kolliderer en gammastråle med stjernelys og omdannes til et par partikler - en elektron og dens antimateriale modstykke, en positron. Når dette sker, går gammastrålelyset tabt. I virkeligheden dæmper processen gammastrålesignalet på omtrent samme måde som tåge dæmper et fjernt fyrtårn.
Fra undersøgelser af nærliggende blazars har forskere bestemt, hvor mange gammastråler der skal udsendes ved forskellige energier. Mere fjerne blazars viser færre gammastråler ved højere energier - især over 25 GeV - takket være absorption af den kosmiske tåge.
Forskerne bestemte derefter den gennemsnitlige gammastråledæmpning over tre afstandsområder: Den nærmeste gruppe var fra da universet var 11,2 år gammelt, en mellemgruppe fra da universet var 8,6 milliarder år gammelt og den fjerneste gruppe fra da universet var 4,1 milliarder år gammel.
Denne animation sporer adskillige gammastråler gennem rum og tid, fra deres udsendelse i jetflyet fra en fjern blazar til deres ankomst til Fermi's Large Area Telescope (LAT). Under deres rejse stiger antallet af tilfældigt bevægende ultraviolette og optiske fotoner (blå), når flere og flere stjerner fødes i universet. Til sidst møder en af gammastrålene en foton af stjernelys, og gammastrålen omdannes til et elektron og en positron. De resterende gammastråle-fotoner ankommer til Fermi, interagerer med wolframplader i LAT og producerer elektroner og positroner, hvis stier gennem detektoren giver astronomer mulighed for at spore gammastrålerne tilbage til deres kilde.
Fra denne måling kunne forskerne estimere tågeens tykkelse.
”Disse resultater giver dig både en øvre og nedre grænse for mængden af lys i universet og mængden af stjerner, der har dannet sig,” sagde Finke under en presse briefing i dag. ”Tidligere estimater har kun været en øvre grænse.”
Og de øvre og nedre grænser er meget tæt på hinanden, sagde Volker Bromm, en astronom ved University of Texas, Austin, som kommenterede resultaterne. ”Fermi-resultatet åbner den spændende mulighed for at begrænse den tidligste periode med kosmisk stjernedannelse og dermed sætte scenen for NASAs James Webb-rumteleskop,” sagde han. ”Enkelt set giver Fermi os et skyggebillede af de første stjerner, mens Webb direkte vil registrere dem.”
Måling af det ekstragalaktiske baggrundslys var et af de primære missionsmål for Fermi, og Ajello sagde, at resultaterne er afgørende for at hjælpe med at besvare en række store spørgsmål inden for kosmologi.
Et papir, der beskriver fundene, blev offentliggjort torsdag på Science Express.
Kilde: NASA
