由可觀測宇宙產(chǎn)生的所有可測量的星光

研究小組從費米數(shù)據(jù)中收集的測量數(shù)據(jù)，在此之前從未有人做過

克萊姆森大學(xué)(Clemson University)的科學(xué)家們在一顆巖石行星上的實驗室里，成功地測量了整個可觀測宇宙歷史上產(chǎn)生的所有星光。天體物理學(xué)家認(rèn)為，我們的宇宙大約137億年，在幾億年前就開始形成第一批恒星。從那時起，宇宙就變成了一個造星的大力神杯?，F(xiàn)在大約有兩萬億星系和一萬億恒星。克萊姆森科學(xué)學(xué)院(Clemson College of Science)的天體物理學(xué)家馬可·阿耶洛(Marco Ajello)和他的團(tuán)隊使用新的星光測量方法，分析了美國國家航空航天局(NASA)費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)的數(shù)據(jù)，以確定宇宙大部分壽命內(nèi)恒星形成的歷史。

通過費米望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，我們能夠測量出曾經(jīng)發(fā)射出的全部星光量。這在以前是從未發(fā)生過的。這些光大部分是由生活在星系中的恒星發(fā)出的。因此，這使我們能夠更好地理解恒星的演化過程，并對宇宙如何產(chǎn)生發(fā)光物質(zhì)有了引人入勝的洞見。為曾經(jīng)產(chǎn)生的星光量設(shè)定一個數(shù)字有幾個變量，這些變量很難用簡單的術(shù)語來量化。但根據(jù)新的測量光子的數(shù)量(可見光的粒子)逃進(jìn)空間被恒星發(fā)出后轉(zhuǎn)化為4 x10 ^ 84。或者換句話說:4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000光子。

盡管如此驚人地大的數(shù),有趣的是,除了來自我們的太陽的光和星系,其余的星光,到達(dá)地球是極其微弱的,相當(dāng)于一個60瓦的燈泡將在完全黑暗從約2.5英里遠(yuǎn)。這是因為宇宙幾乎大得不可思議。這也是為什么夜空在晚上是黑暗的，除了來自月亮的光，可見的星星和銀河系微弱的光芒。

費米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡于2008年6月11日發(fā)射進(jìn)入低軌道，最近是它的10周年紀(jì)念日。它是一個功能強大的天文臺,提供了大量的數(shù)據(jù)對伽馬射線(最精力充沛的光)和他們的交互與銀河系外的背景光(EBL),這是一個宇宙霧組成的紫外線,可見光和紅外線在他們的附近恒星或塵埃發(fā)出的。Ajello和他的博士后同事Vaidehi Paliya分析了近九年的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與739個恒星的伽馬射線信號有關(guān)。

布拉斯星系包含超大質(zhì)量黑洞，這些黑洞能夠釋放出幾乎以光速躍出星系并劃過宇宙的高能粒子束。當(dāng)其中一股射流恰好直接對準(zhǔn)地球時，即使它來自極遠(yuǎn)的地方，也能被探測到。射流中產(chǎn)生的伽馬射線光子最終會與宇宙大霧相撞，留下可觀察到的印記。這使得阿耶洛的團(tuán)隊不僅能夠測量出特定地點的霧密度，而且能夠測量出宇宙歷史上特定時間的霧密度。穿過星光迷霧的伽馬射線光子被吸收的幾率很大，通過測量吸收了多少光子，我們能夠測量出霧有多厚，還能測量出，作為時間的函數(shù)，在整個波長范圍內(nèi)有多少光?！?/p>

利用星系調(diào)查，宇宙的恒星形成歷史已經(jīng)被研究了幾十年。但之前的研究面臨的一個障礙是，一些星系太遠(yuǎn)，或者太暗，以至于現(xiàn)在的望遠(yuǎn)鏡無法探測到。這迫使科學(xué)家們估計這些遙遠(yuǎn)星系所產(chǎn)生的星光，而不是直接記錄下來。阿耶洛的團(tuán)隊利用費米望遠(yuǎn)鏡的大范圍數(shù)據(jù)分析了銀河系外的背景光，從而解決了這個問題。從星系中逃逸出來的星光，包括最遙遠(yuǎn)的星系，最終成為EBL的一部分。因此，直到最近才有可能對這種宇宙煙霧進(jìn)行精確的測量，從而消除了估算超遙遠(yuǎn)星系的光發(fā)射的需要。

Paliya對739個火種進(jìn)行了伽馬射線分析，這些火種的黑洞比我們的太陽大幾百萬到幾十億倍。通過使用距離我們不同的火焰，我們測量了不同時期的總星光，我們測量了每個時代的總星光——10億年前、20億年前、60億年前等等——一直追溯到恒星最初形成的時候。這使我們能夠重建EBL，并以比以前更有效的方式確定宇宙恒星形成的歷史。

當(dāng)高能伽瑪射線與低能可見光碰撞時，它們轉(zhuǎn)化成電子對和正電子對。據(jù)美國國家航空航天局稱，費米探測伽馬射線的能力跨越了廣泛的能量范圍，這使得它特別適合繪制宇宙迷霧。這些粒子的相互作用發(fā)生在巨大的宇宙距離上，這使得Ajello的團(tuán)隊能夠比以往更深入地探索宇宙中恒星形成的生產(chǎn)力。

科學(xué)家們已經(jīng)嘗試測量EBL很久了。然而，黃道光(黃道光是由太陽系中的塵埃散射的光)等非常明亮的前景，使得這項測量非常具有挑戰(zhàn)性?！拔覀兊募夹g(shù)對任何前景都不敏感，因此一下子就克服了這些困難?！焙阈切纬砂l(fā)生在大約110億年前，那時密集的分子云區(qū)域坍塌形成恒星。但是，盡管新恒星的誕生已經(jīng)放緩，但它從未停止過。例如，我們的銀河系每年大約產(chǎn)生7顆新恒星。

研究小組表示，不僅建立了目前的EBL，而且揭示了它在宇宙歷史上的演化，這是該領(lǐng)域的一個重大突破。恒星的形成是能量、物質(zhì)和金屬在宇宙中循環(huán)和再循環(huán)的過程。它是宇宙的發(fā)動機，沒有恒星的進(jìn)化，我們就沒有生命存在所必需的基本元素。

了解恒星的形成對天文學(xué)研究的其他領(lǐng)域也有影響，包括宇宙塵埃、星系演化和暗物質(zhì)的研究。該團(tuán)隊的分析將為未來的任務(wù)提供探索恒星演化早期的指導(dǎo)方針——比如即將于2021年發(fā)射的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope)，它將使科學(xué)家能夠?qū)ふ以夹窍档男纬伞?/p>

宇宙歷史的前十億年是一個非常有趣的時代，目前還沒有衛(wèi)星探測過，我們的測量可以讓我們窺探到里面。”也許有一天，我們會找到一種方法，讓我們回顧宇宙大爆炸。這是我們的最終目標(biāo)。