Παρασκευή, 30 Νοεμβρίου 2018

To συνολικό φως που εξέπεμψαν τα άστρα από την δημιουργία του σύμπαντος. Scientists measure all of the starlight ever produced by the observable universe

Οι ακτίνες γ αποκαλύπτουν την ιστορία του σύμπαντος. This map of the entire sky shows the location of 739 blazars used in the Fermi Gamma-ray Space Telescope's measurement of the extragalactic background light (EBL). The background shows the sky as it appears in gamma rays with energies above 10 billion electron volts, constructed from nine years of observations by Fermi's Large Area Telescope. The plane of our Milky Way galaxy runs along the middle of the plot. Brighter colors indicate brighter gamma-ray sources. Credit: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration

Πόσα άστρα σχηματίστηκαν στο σύμπαν και σε ποια χρονική περίοδο; Αυτό το θεμελιώδες ερώτημα είναι δύσκολο να απαντηθεί γιατί υπάρχουν συστηματικά σφάλματα στην μετατροπή του συνολικού φωτός που παρατηρούμε προς την αντίστοιχη συνολική μάζα των άστρων στους γαλαξίες.

Οι ερευνητές της συνεργασίας Fermi-Large Area Telescope επιχείρησαν να λύσουν το πρόβλημα εκμεταλλευόμενοι τον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες γάμμα από τα μακρινά blazars διαδίδονται στον διαγαλαξιακό διάστημα.

Διαπίστωσαν ότι η δημιουργία των άστρων κορυφώθηκε 3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Aν και το συμπέρασμα αυτό είναι γνωστό από παλαιότερες εκτιμήσεις (από παρατηρήσεις στην ορατή και υπέρυθρη ακτινοβολία), τα νέα αποτελέσματα μας παρέχουν μια πολύτιμη επιβεβαίωση, διότι επηρεάζονται από διαφορετικά συστηματικά σφάλματα.

Clemson astrophysicist Marco Ajello and his team have measured all of the starlight ever emitted in the history of the observable universe. Marco Ajello enjoys a spectacular view of the stars on Nov. 20 at the Clemson Outdoor Lab. Image Credit: Pete Martin / College of Science

Σύμφωνα με τους αστροφυσικούς το σύμπαν μας, το οποίο έχει ηλικία περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, άρχιζε να σχηματίζει τα πρώτα άστρα μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σήμερα υπάρχουν περίπου δυο τρισεκατομμύρια γαλαξίες και ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια άστρα. Χρησιμοποιώντας νέες μεθόδους μέτρησης του αστρικού φωτός ο αστροφυσικός Marco Ajello και οι συνεργάτες του ανέλυσαν δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γ Fermi με σκοπό τον προσδιορισμό την ιστορία του σχηματισμού των άστρων στο μεγαλύτερο μέρος της ζωής του σύμπαντος. τον υπολογισμό του εξωγαλαξιακού φωτός υποβάθρου – το σύνολο σχεδόν του οποίου δημιούργησαν τα άστρα στην ιστορία του σύμπαντος.

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των αστροφυσικών ο αριθμός των φωτονίων που κυκλοφορούν στο διάστημα μετά την εκπομπή τους από τα άστρα είναι 4×1084 (το 4 ακολουθείται από 84 μηδενικά!)

Παρά τον εξαιρετικά μεγάλο αριθμό φωτονίων που υπολογίστηκε, αξίζει να σημειωθεί ότι αν εξαιρέσουμε το φως του δικού μας ήλιου και γαλαξία, το υπόλοιπο φως που φτάνει στη Γη είναι πολύ εξασθενημένο – ισοδυναμεί με το φως ενός λαμπτήρα 60 Watt που φαίνεται στο απόλυτο σκοτάδι από απόσταση 2,5 μίλια μακριά. Αυτό συμβαίνει διότι το σύμπαν είναι απίστευτα τεράστιο. Γι αυτό ο ουρανός το βράδυ είναι σκοτεινός, εκτός από το φως της Σελήνης, των ορατών άστρων και την ελάχιστη λάμψη του γαλαξία.

Βίντεο: Παρακολουθώντας την ιστορία του φωτός των άστρων με την αποστολή Fermi της NASA. Scientists using data from NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope have measured all the starlight produced over 90 percent of the universe's history. The analysis, which examines the gamma-ray output of distant galaxies, estimates the formation rate of stars and provides a reference for future missions that will explore the still-murky early days of stellar evolution. Credit: NASA's Goddard Space Flight Center

Οι ερευνητές Ajello et al ανέλυσαν τα δεδομένα εννέα ετών που αφορούσαν τα σήματα των ακτίνων γ από 739 blazars. Tα blazars είναι γαλαξίες που περιέχουν τεράστιες μαύρες τρύπες στο κέντρο τους και εκπέμπουν πανίσχυρες ακτίνες γ.

Τα φωτόνια αυτών των ακτίνων γ κατά την διαδρομή τους μπορεί  να (απορροφηθούν) αλληλεπιδράσουν με φωτόνια του διαγαλαξιακού χώρου, δημιουργώντας ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Με τον τρόπο αυτό οι αρχικές ακτίνες γ εξασθενούν όπως η ομίχλη εξασθενεί το φως των αυτοκινήτων. Το αστρικό φως που διαφεύγει από τους γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένων και των πιο μακρινών, δημιουργεί το εξωγαλαξιακό υπόβαθρο φωτός, την «ομίχλη» που εξασθενεί τις ακτίνες γ των blazars. Έτσι οι ερευνητές καταφέρνουν  να μετρήσουν την πυκνότητα του εξωγαλαξιακού υποβάθρου φωτός, όχι μόνο σε ένα δεδομένο μέρος, αλλά και σε μια δεδομένη στιγμή στην ιστορία του σύμπαντος.

Σύμφωνα με τον Ajello: «μετρώντας τον αριθμό των φωτονίων που απορροφήθηκαν, καταφέραμε να μετρήσουμε το ‘πάχος της ομίχλης’ και να μετρήσουμε επίσης ως συνάρτηση του χρόνου πόσο φως υπήρχε σε όλο το φάσμα των μηκών κύματος’.

Το πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι δεν χρειάζεται να καταγραφεί απευθείας το αστρικό φως πολύ απομακρυσμένων γαλαξιών ή γαλαξιών που με δυσκολία εντοπίζονται από τηλεσκόπια.

Ο σχηματισμός των άστρων είναι μια τεράστια κοσμική ανακύκλωση της ενέργειας και ύλης. Χωρίς την εξέλιξη των άστρων δεν θα είχαμε τα βασικά στοιχεία που είναι απαραίτητα για την ύπαρξη ζωής.

Βίντεο: Οι φυσικοί του Clemson μετρούν το φως των άστρων. From their laboratories on a rocky planet dwarfed by the vastness of space, Clemson University scientist Marco Ajello and his team have managed to measure all of the starlight ever produced throughout the history of the observable universe.

Η κατανόηση του σχηματισμού των άστρων έχει συνέπειες και σε άλλους τομείς της αστροφυσικής έρευνας, όπως για παράδειγμα η εξέλιξη των γαλαξιών και η σκοτεινή ύλη. Σύμφωνα με τον Ajello, οι μετρήσεις της ομάδας του «ρίχνουν φως στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του σύμπαντος μιας πολύ ενδιαφέρουσας περιόδου που δεν έχει εξερευνηθεί αρκετά μέχρι σήμερα».