Вселенная создавала звезды на протяжении почти всех 13,8 миллиардов лет своей истории. Вот что мы знаем.
Прошло 13,8 миллиарда лет с момента горячего Большого взрыва, и Вселенная за это время прошла долгий путь. Наше космическое зрение простирается примерно на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях, открывая при этом около 2 триллионов галактик. Каждая галактика в среднем содержит сотни миллиардов звезд, а каждая звезда состоит примерно из 10⁵⁷ атомов. В нашей Вселенной произошло многое, но большая часть этого , включая формирование большинства звезд , является частью нашего космического прошлого, а не настоящего или будущего.
Когда формируются звезды, происходит много интересного.
- Молекулярное облако, которое коллапсирует, образуя их, ионизируется ультрафиолетовым светом, излучаемым этими новыми звездами.
- Появляется особый тип излучения: эмиссионные линии, поскольку электроны падают обратно на ионизированные атомные ядра.
- Свет этой звезды путешествует по Вселенной, взаимодействуя со всеми встречающимися на пути атомами, что приводит к поглощению.
- И у света есть вероятность взаимодействия с гамма-лучами, которые представляют собой фотоны с самой высокой энергией, с образованием новых частиц: электронно-позитронных пар.
Этот последний пункт представляет особый интерес для всех, у кого есть космический гамма-телескоп. Во Вселенной есть классы объектов - активные сверхмассивные черные дыры - которые являются очень хорошими излучателями чрезвычайно энергичных частиц, включая гамма-лучи. С огромными горизонтами событий и большими, массивными аккреционными дисками, окружающими их и падающими на них по мере их питания, эти заряженные частицы создают огромные магнитные поля при своем вращении. Эти поля ускоряют заряженные частицы, заставляя их взаимодействовать и излучать излучение чрезвычайно высоких энергий.
Самые яркие из всех, с точки зрения нашей точки зрения здесь, на Земле, те, чьи релятивистские струи направлены прямо на нас. Эти объекты известны как Блазары, потому что они «вспыхивают» на линии прямой видимости прямо перед вашими глазами.
Там также есть «вещи», когда вы смотрите на что-либо в далекой Вселенной. Существуют газовые облака, поглощающие часть света; мы можем объяснить их, исследуя линии поглощения. Часто вмешиваются галактики и скопления галактик; мы можем измерить их яркость, плотность и другие свойства, чтобы откалибровать каждый отдельный Блазар, который мы исследуем. Блазары также будут расположены по всему небу, где зодиакальные эффекты Солнечной системы и эффекты переднего плана Млечного Пути могут повлиять на то, что мы видим. И каждый отдельный Блазар в источнике будет обладать свойствами энергии и потока, которые присущи только ему.
Сделав надлежащий учет того, что существует во Вселенной - в источнике, на линии прямой видимости и получено нашими глазами - мы можем определить исходные свойства Блазара, которым мы являемся. изучение. У нас может быть хорошо откалиброванная отправная точка для работы.
Если бы у вас был гамма-телескоп, это дало бы вам метод измерения всего звездного света во Вселенной. Вот как это сделать:
- Начните с измерения всех блазаров во Вселенной, где вы их найдете.
- Измерьте красное смещение каждого блазара, чтобы знать, как далеко он находится от вас.
- Измерьте количество гамма-лучей, полученных вашим гамма-телескопом, как функцию красного смещения и яркости блазара.
- И, наконец, поскольку вы знаете, что гамма-лучи, когда они сталкиваются с этим внегалактическим фоновым звездным светом, могут создавать электронно-позитронные пары, используйте всю эту информацию, чтобы рассчитать, сколько фонового звездного света должно присутствовать., как функция красного смещения/расстояния, чтобы учесть потерю гамма-лучей.
В общем, коллаборация Fermi-LAT (где LAT - это телескоп большой площади на борту Fermi) смогла провести эти измерения для всех известных блазаров, появляющихся в гамма-небе: 739 из них.. Ближайший из них пришел к нам всего 200 миллионов лет назад; к самому дальнему свет прибывает после путешествия длиной 11,6 миллиарда лет: когда Вселенной было всего 2,2 миллиарда лет.
Из-за того, как эти Блазары распределены в пространстве и (в ретроспективе) во времени, мы должны смоделировать, когда Вселенная переходит от непрозрачности к прозрачности в гамма-лучах, что смогла сделать команда Fermi-LAT. в рамках этой работы.
Общие результаты, которые они нашли, согласуются с предыдущей работой и повышают точность: Пик скорости звездообразования во Вселенной был примерно в 3 миллиарда лет, а скорость звездообразования постоянно падает. с. Сегодня она составляет всего 3% от первоначальной максимальной скорости, а скорость формирования новых звезд во Вселенной продолжает падать.
Но один интересный и новый результат этого исследования действительно является революционным. По словам ведущего автора исследования Fermi-LAT Марко Ажелло:
Из данных, собранных телескопом Ферми, мы смогли измерить все количество когда-либо излучаемого звездного света. Такого еще никогда не делали.
Верно: впервые мы смогли измерить все количество звездного света, излученного за всю историю Вселенной.
Общая сумма? В общей сложности это соответствует примерно 4 × 10⁸⁴ фотонам, что является поразительно большим числом: в тысячи раз больше, чем все протоны, нейтроны и электроны, присутствующие в нашей Вселенной, вместе взятые. Но это все же очень и очень малое число по сравнению со всеми фотонами, которые существуют во Вселенной как часть остаточного излучения Большого Взрыва, число которых составляет примерно 10⁸⁹-к-10⁹⁰: в сотни тысяч раз больше фотонов, чем у звезд. когда-либо созданный.
Тем не менее, это приводит к захватывающему космическому совпадению. Средняя энергия этих фотонов от звездного света примерно в 10 000-100 000 раз превышает среднюю энергию фотона, оставшегося после Большого взрыва. Когда все сказано и сделано, энергия, произведенная всеми звездами, с точки зрения излучения, теперь почти равна количеству энергии в фотонах от самого Большого Взрыва.
Огромная часть нашей космической истории была раскрыта впервые. Благодаря этим сигналам гамма-излучения и тому, как они взаимодействуют с внегалактическим фоном звездного света, мы можем обойти передний план нашей Солнечной системы, чтобы понять и измерить, как звездообразование происходило на протяжении всего космического времени в нашей Вселенной, а также сделать вывод об общем количестве когда-либо произведенного звездного света.
В будущем ученые, возможно, смогут вернуться еще дальше и исследовать, как звезды формировались и излучали свет до того, как инструменты группы Fermi-LAT смогут это сделать. Звездообразование - это то, что превращает первичные элементы Большого взрыва в элементы, способные дать начало каменистым планетам, органическим молекулам и жизни во Вселенной. Возможно, однажды мы найдем способ добраться до самых ранних моментов нашей Вселенной, раскрывая истины, стоящие за величайшими космическими тайнами. А пока наслаждайтесь каждым шагом - как этот - который мы делаем в путешествии!