Denna plot visar platserna för 150 blazars (gröna prickar) som används i en ny av Fermi Gamma-Ray Telescope. Kredit: NASA / DOE / Fermi LAT-samarbete
Allt ljus som har producerats av varje stjärna som någonsin existerat finns fortfarande ute, men att "se" det och mäta det exakt är extremt svårt. Nu kunde astronomer som använder data från NASA: s Fermi Gamma-ray Space Telescope titta på avlägsna blazarer för att hjälpa till att mäta bakgrundsljuset från alla stjärnor som lyser nu och någonsin var. Detta möjliggjorde den mest exakta mätningen av stjärnljus i hela universum, vilket i sin tur hjälper till att fastställa gränser för det totala antalet stjärnor som någonsin har skinkat.
"Det optiska och ultravioletta ljuset från stjärnor fortsätter att resa genom hela universum även efter att stjärnorna upphör att lysa, och detta skapar ett fossilt strålningsfält som vi kan utforska med gammastrålar från avlägsna källor," säger huvudforskaren Marco Ajello från Kavli Institute för Partikel Astrofysik och kosmologi vid Stanford University i Kalifornien och Space Sciences Laboratory vid University of California i Berkeley.
Deras resultat ger också en stjärn densitet i kosmos på cirka 1,4 stjärnor per 100 miljarder kubik ljusår, vilket innebär att det genomsnittliga avståndet mellan stjärnor i universum är cirka 4 150 ljusår.
Den totala summan av stjärnbelysning i kosmos kallas det extragalaktiska bakgrundsbelysningen (EBL), och Ajello och hans team undersökte EBL genom att studera gammastrålar från 150 blazars, som är bland de mest energiska fenomenen i universum. Det är galaxer som drivs av extremt energiska svarta hål: de har energier större än 3 miljarder elektronvolts (GeV), eller mer än en miljard gånger energin från synligt ljus.
Astronomerna använde fyra års Fermi-data om gammastrålar med energier över 10 miljarder elektronvolts (GeV), och Fermi Large Area Telescope (LAT) -instrumentet är det första som upptäckte mer än 500 källor inom detta energiområde.
För gammastrålar fungerar EBL som en slags kosmisk dimma, men Fermi mätte mängden gammastrålningsabsorption i blazarspektra som produceras av ultraviolett och synligt stjärnljus vid tre olika epoker i universums historia.
Fermi mätte mängden gammastrålningsabsorption i blazarspektra som producerats av ultraviolett och synligt stjärnljus vid tre olika epoker i universums historia. (Kredit: NASA: s Goddard Space Flight Center)
"Med mer än tusen upptäckt hittills är blazars de vanligaste källorna som Fermi har upptäckt, men gammastrålar vid dessa energier är få och långt mellan dem, varför det tog fyra års data att göra denna analys," sade teammedlem Justin Finke, en astrofysiker vid Naval Research Laboratory i Washington.
Gamma-strålar som produceras i blazarstrålar reser över miljarder ljusår till jorden. Under deras resa passerar gammastrålarna genom en ökande dimma av synligt och ultraviolett ljus som avges av stjärnor som bildades genom universums historia.
Ibland kolliderar en gammastråle med stjärnbelysning och förvandlas till ett par partiklar - en elektron och dess antimateriella motsvarighet, en positron. När detta inträffar förloras gammastrålningsljuset. I själva verket dämpar processen gammastrålesignalen på ungefär samma sätt som dimma dimmar en avlägsen fyr.
Från studier av närliggande blazars har forskare bestämt hur många gammastrålar som ska släppas ut vid olika energier. Mer avlägsna blazarer visar färre gammastrålar vid högre energier - speciellt över 25 GeV - tack vare absorption av den kosmiska dimman.
Forskarna bestämde sedan den genomsnittliga gammastråldämpningen över tre avstånd: Den närmaste gruppen var från när universum var 11,2 år gammalt, en medelgrupp då universum var 8,6 miljarder år gammal och den längsta gruppen från när universum var 4,1 miljarder år gammal.
Denna animering spårar flera gammastrålar genom rymden och tiden, från deras utsläpp i en avlägsen blazarstråle till deras ankomst till Fermis Large Area Telescope (LAT). Under sin resa ökar antalet slumpmässiga rörliga ultravioletta och optiska fotoner (blå) när fler och fler stjärnor föds i universum. Så småningom möter en av gammastrålarna en foton av stjärnbelysning och gammastrålen förvandlas till en elektron och en positron. De återstående gammastrålningsfotonerna anländer till Fermi, interagerar med volframplattor i LAT och producerar elektroner och positroner vars vägar genom detektorn tillåter astronomer att spåra gammastrålarna till deras källa.
Från denna mätning kunde forskarna uppskatta dimma tjocklek.
"Dessa resultat ger dig både en övre och nedre gräns för mängden ljus i universum och mängden stjärnor som har bildats," sa Finke under en pressmöte i dag. "Tidigare uppskattningar har bara varit en övre gräns."
Och de övre och nedre gränserna ligger mycket nära varandra, säger Volker Bromm, en astronom vid University of Texas, Austin, som kommenterade resultaten. "Fermi-resultatet öppnar upp den spännande möjligheten att begränsa den tidigaste perioden för kosmisk stjärnbildning och därmed sätta scenen för NASA: s James Webb rymdteleskop," sade han. "Enkelt uttryckt ger Fermi oss en skuggbild av de första stjärnorna, medan Webb kommer att upptäcka dem direkt."
Att mäta det extragalaktiska bakgrundsbelysningen var ett av de primära uppdragsmålen för Fermi, och Ajello sa att resultaten är avgörande för att hjälpa till att besvara ett antal stora frågor inom kosmologin.
Ett dokument som beskriver resultaten publicerades på torsdag på Science Express.
Källa: NASA
