Denne plottet viser plasseringene til 150 blazars (grønne prikker) som ble brukt i det nye av Fermi Gamma-Ray Telescope. Kreditt: NASA / DOE / Fermi LAT-samarbeid
Alt lyset som er produsert av hver stjerne som noen gang har eksistert, er fremdeles der ute, men å "se" det og måle det nøyaktig er ekstremt vanskelig. Nå kunne astronomer som brukte data fra NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope se på fjerne blazars for å måle bakgrunnslyset fra alle stjernene som skinner nå og noensinne var. Dette muliggjorde den mest nøyaktige måling av stjernelys i hele universet, noe som igjen er med på å etablere grenser for det totale antall stjerner som noensinne har skinte.
"Det optiske og ultrafiolette lyset fra stjerner fortsetter å reise over hele universet selv etter at stjernene slutter å skinne, og dette skaper et fossilt strålingsfelt vi kan utforske ved å bruke gammastråler fra fjerne kilder," sa hovedforsker Marco Ajello fra Kavli Institute for Partikkel Astrofysikk og kosmologi ved Stanford University i California og Space Sciences Laboratory ved University of California i Berkeley.
Resultatene deres gir også en stjernetetthet i kosmos på omtrent 1,4 stjerner per 100 milliarder kubikk lysår, noe som betyr at den gjennomsnittlige avstanden mellom stjerner i universet er omtrent 4.150 lysår.
Den totale summen av stjernelys i kosmos kalles det ekstragalaktiske bakgrunnslyset (EBL), og Ajello og teamet hans undersøkte EBL ved å studere gammastråler fra 150 blazars, som er blant de mest energiske fenomenene i universet. De er galakser drevet av ekstremt energiske sorte hull: De har energier større enn 3 milliarder elektron volt (GeV), eller mer enn en milliard ganger energien fra synlig lys.
Astronomene brukte fire år med Fermi-data på gammastråler med energier over 10 milliarder elektron volt (GeV), og Fermi Large Area Telescope (LAT) instrument er det første som oppdager mer enn 500 kilder i dette energiområdet.
For gammastråler fungerer EBL som en slags kosmisk tåke, men Fermi målte mengden gammastråleopptak i blazarspektre produsert av ultrafiolett og synlig stjernelys på tre forskjellige epoker i universets historie.
Fermi målte mengden gammastråle-absorpsjon i blazarspektre produsert av ultrafiolett og synlig stjernelys ved tre forskjellige epoker i universets historie. (Kreditt: NASAs Goddard Space Flight Center)
"Med mer enn tusen oppdaget hittil, er blazars de vanligste kildene oppdaget av Fermi, men gammastråler ved disse energiene er få og langt mellom, og det var derfor det tok fire år med data å gjøre denne analysen," sa teammedlem Justin Finke, en astrofysiker ved Naval Research Laboratory i Washington.
Gamma-stråler produsert i blazar-jetfly reiser over milliarder av lysår til Jorden. Under reisen passerer gammastrålene gjennom en økende tåke med synlig og ultrafiolett lys som sendes ut av stjerner som dannet seg gjennom universets historie.
Noen ganger kolliderer en gammastråle med stjernelys og forvandles til et par partikler - et elektron og dens antimateriale motstykke, en positron. Når dette skjer, går gammastrålelyset tapt. I virkeligheten demper prosessen gammastrålesignalet på omtrent samme måte som tåke demper et fjernt fyrtårn.
Fra studier av blazars i nærheten har forskere bestemt hvor mange gammastråler som skal sendes ut ved forskjellige energier. Flere fjerne blazars viser færre gammastråler ved høyere energier - spesielt over 25 GeV - takket være absorpsjon av den kosmiske tåken.
Forskerne bestemte deretter den gjennomsnittlige gammastråledempningen over tre avstander: Den nærmeste gruppen var fra da universet var 11,2 år gammelt, en mellomgruppe fra da universet var 8,6 milliarder år gammelt, og den fjerneste gruppen fra da universet var 4,1 milliarder år gammel.
Denne animasjonen sporer flere gammastråler gjennom rom og tid, fra utslippet i jetflyet til en fjern blazar til deres ankomst til Fermis Large Area Telescope (LAT). Under reisen øker antall tilfeldig bevegelige ultrafiolette og optiske fotoner (blå) etter hvert som flere og flere stjerner blir født i universet. Etter hvert møter en av gammastrålene et foton av stjernelys og gammastrålen blir til et elektron og et positron. De gjenværende gammastråle-fotonene ankommer Fermi, samhandler med wolframplater i LAT, og produserer elektronene og positronene hvis baner gjennom detektoren lar astronomer spore gamma-strålene tilbake til kilden.
Fra denne målingen kunne forskerne estimere tåkenes tykkelse.
"Disse resultatene gir deg både en øvre og nedre grense for mengden av lys i universet og mengden av stjerner som har dannet seg," sa Finke under en pressemøte i dag. "Tidligere estimater har bare vært en øvre grense."
Og de øvre og nedre grenser er veldig nær hverandre, sa Volker Bromm, en astronom ved University of Texas, Austin, som kommenterte funnene. "Fermi-resultatet åpner den spennende muligheten for å begrense den tidligste perioden med kosmisk stjernedannelse, og dermed sette scenen for NASAs James Webb romteleskop," sa han. "Enkelt sagt gir Fermi oss et skyggebilde av de første stjernene, mens Webb vil registrere dem direkte."
Å måle det ekstragalaktiske bakgrunnslyset var et av de primære oppdragsmålene for Fermi, og Ajello sa at funnene er avgjørende for å bidra til å svare på en rekke store spørsmål innen kosmologi.
Et papir som beskriver funnene ble publisert torsdag på Science Express.
Kilde: NASA
