Vanuit hun laboratoria op een rotsachtige planeet in de schaduw van de uitgestrektheid van de ruimte, Wetenschappers van Clemson University zijn erin geslaagd om al het sterlicht te meten dat ooit in de geschiedenis van het waarneembare heelal is geproduceerd.

Astrofysici geloven dat ons universum, die ongeveer 13,7 miljard jaar oud is, begon de eerste sterren te vormen toen het een paar honderd miljoen jaar oud was. Vanaf dat moment, het universum is een krachttoer van het maken van sterren geworden. Er zijn nu ongeveer twee biljoen sterrenstelsels en een biljoen biljoen sterren. Met behulp van nieuwe methoden voor het meten van sterrenlicht, Clemson College of Science-astrofysicus Marco Ajello en zijn team analyseerden gegevens van NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope om de geschiedenis van stervorming gedurende het grootste deel van de levensduur van het universum te bepalen.

Een gezamenlijk artikel getiteld "A gamma-ray bepaling of the Universe's star-formation history" werd op 30 november gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap en beschrijft de resultaten en gevolgen van het nieuwe meetproces van het team.

"Uit gegevens verzameld door de Fermi-telescoop, we waren in staat om de volledige hoeveelheid sterrenlicht te meten die ooit is uitgestraald. Dit is nog nooit eerder gedaan, " zei Ajello, wie is de hoofdauteur van het artikel. "Het meeste van dit licht wordt uitgestraald door sterren die in sterrenstelsels leven. En dus, dit heeft ons in staat gesteld om het stellaire-evolutieproces beter te begrijpen en boeiende inzichten te krijgen in hoe het universum zijn lichtgevende inhoud produceerde."

Een getal plaatsen op de hoeveelheid sterlicht die ooit is geproduceerd, heeft verschillende variabelen die het moeilijk maken om in eenvoudige termen te kwantificeren. Maar volgens de nieuwe meting, het aantal fotonen (deeltjes van zichtbaar licht) dat de ruimte in is ontsnapt nadat ze door sterren zijn uitgezonden, vertaalt zich in 4x10 ⁸⁴ .

Ondanks dit verbazingwekkend grote aantal, het is interessant om op te merken dat, met uitzondering van het licht dat van onze eigen zon en melkweg komt, de rest van het sterlicht dat de aarde bereikt, is buitengewoon zwak - equivalent aan een gloeilamp van 60 watt die in volledige duisternis wordt bekeken vanaf ongeveer 4 mijl afstand. Dit komt omdat het heelal bijna onbegrijpelijk groot is. Dit is ook de reden waarom de lucht 's nachts donker is, anders dan het licht van de maan, zichtbare sterren en de zwakke gloed van de Melkweg.

De Fermi Gamma-ray Space Telescope werd op 11 juni in een lage baan om de aarde gelanceerd. 2008, en vierde onlangs zijn 10-jarig jubileum. Het is een krachtig observatorium dat enorme hoeveelheden gegevens heeft opgeleverd over gammastraling (de meest energetische vorm van licht) en hun interactie met het extragalactische achtergrondlicht (EBL), die een kosmische mist is die bestaat uit al het ultraviolette, zichtbaar en infrarood licht uitgezonden door sterren of door stof in hun omgeving. Ajello en postdoctoraal onderzoeker Vaidehi Paliya analyseerden bijna negen jaar aan gegevens met betrekking tot gammastralingssignalen van 739 blazars.

Blazars zijn sterrenstelsels met superzware zwarte gaten die in staat zijn om nauw gecollimeerde stralen van energetische deeltjes vrij te geven die uit hun sterrenstelsels springen en met bijna de lichtsnelheid door de kosmos schieten. Als een van deze jets toevallig direct op de aarde is gericht, het is zelfs detecteerbaar als het van extreem ver weg komt. Gammastraalfotonen die in de jets worden geproduceerd, botsen uiteindelijk met de kosmische mist, een waarneembare afdruk achterlaten. Dit stelde Ajello's team in staat om de dichtheid van de mist te meten, niet alleen op een bepaalde plaats, maar ook op een bepaald moment in de geschiedenis van het universum.

"Gammastraling-fotonen die door een mist van sterrenlicht reizen, hebben een grote kans om geabsorbeerd te worden, " zei Ajello, een assistent-professor in de afdeling natuurkunde en sterrenkunde. "Door te meten hoeveel fotonen zijn geabsorbeerd, we konden meten hoe dik de mist was en ook meten, als functie van de tijd, hoeveel licht er was in het hele bereik van golflengten."

Met behulp van melkwegonderzoeken, de stervormingsgeschiedenis van het heelal is decennialang bestudeerd. Maar een obstakel waarmee eerder onderzoek werd geconfronteerd, was dat sommige sterrenstelsels te ver weg waren, of te zwak, voor alle hedendaagse telescopen om te detecteren. Dit dwong wetenschappers om het sterlicht dat door deze verre sterrenstelsels wordt geproduceerd te schatten in plaats van het rechtstreeks vast te leggen.

Het team van Ajello kon dit omzeilen door Fermi's Large Area Telescope-gegevens te gebruiken om het extragalactische achtergrondlicht te analyseren. Sterrenlicht dat aan sterrenstelsels ontsnapt, inclusief de verste, wordt uiteindelijk onderdeel van de EBL. Daarom, nauwkeurige metingen van deze kosmische mist, die pas sinds kort mogelijk zijn, elimineerde de noodzaak om de lichtemissies van ultra-verre sterrenstelsels te schatten.

Paliya voerde de gammastralingsanalyse uit van alle 739 blazars, waarvan de zwarte gaten miljoenen tot miljarden keren massiever zijn dan onze zon.

"Door blazars op verschillende afstanden van ons te gebruiken, we hebben het totale sterrenlicht gemeten in verschillende tijdsperioden, " zei Paliya van de afdeling natuurkunde en astronomie. "We hebben het totale sterrenlicht van elk tijdperk gemeten - een miljard jaar geleden, twee miljard jaar geleden, zes miljard jaar geleden, enz. - helemaal terug naar de tijd dat sterren voor het eerst werden gevormd. Dit stelde ons in staat om de EBL te reconstrueren en de stervormingsgeschiedenis van het universum op een effectievere manier te bepalen dan eerder was bereikt."

Wanneer hoogenergetische gammastralen botsen met laagenergetisch zichtbaar licht, ze transformeren in paren van elektronen en positronen. Volgens NASA, Fermi's vermogen om gammastralen over een breed scala aan energieën te detecteren, maakt het bij uitstek geschikt voor het in kaart brengen van de kosmische mist. Deze deeltjesinteracties vinden plaats over immense kosmische afstanden, waardoor Ajello's groep dieper dan ooit kon peilen naar de stervormingsproductiviteit van het universum.

"Wetenschappers hebben lang geprobeerd de EBL te meten. zeer heldere voorgronden zoals het dierenriemlicht (dat is licht dat wordt verstrooid door stof in het zonnestelsel) maakten deze meting erg uitdagend, " zei co-auteur Abhishek Desai, een afgestudeerde onderzoeksassistent bij de afdeling natuurkunde en sterrenkunde. "Onze techniek is ongevoelig voor elke voorgrond en heeft deze moeilijkheden dus in één keer overwonnen."

stervorming, die optreedt wanneer dichte gebieden van moleculaire wolken instorten en sterren vormen, piekte ongeveer 11 miljard jaar geleden. Maar hoewel de geboorte van nieuwe sterren sindsdien is vertraagd, het is nooit gestopt. Bijvoorbeeld, Elk jaar worden er in ons Melkwegstelsel ongeveer zeven nieuwe sterren gecreëerd.

Het vestigen van niet alleen de huidige EBL, maar de onthulling van zijn evolutie in de kosmische geschiedenis is een grote doorbraak op dit gebied, volgens teamlid Dieter Hartmann, een professor in de afdeling natuurkunde en sterrenkunde.

"Stervorming is een geweldige kosmische cyclus en recycling van energie, materie en metalen. Het is de motor van het universum, Hartmann zei. "Zonder de evolutie van sterren, we zouden niet de fundamentele elementen hebben die nodig zijn voor het bestaan ​​van het leven."

Het begrijpen van stervorming heeft ook gevolgen voor andere gebieden van astronomisch onderzoek, inclusief onderzoek naar kosmisch stof, melkwegevolutie en donkere materie. De analyse van het team zal toekomstige missies een richtlijn geven om de vroegste dagen van stellaire evolutie te verkennen, zoals de aanstaande James Webb Space Telescope, die in 2021 wordt gelanceerd en wetenschappers in staat zal stellen te jagen op de vorming van oerstelsels.

"De eerste miljard jaar van de geschiedenis van ons universum zijn een zeer interessant tijdperk dat nog niet is onderzocht door de huidige satellieten, " concludeerde Ajello. "Onze meting stelt ons in staat om erin te kijken. Misschien zullen we ooit een manier vinden om helemaal terug te kijken naar de oerknal. Dit is ons uiteindelijke doel."