Deze plot toont de locaties van 150 blazars (groene stippen) die worden gebruikt in de nieuwe van de Fermi Gamma-Ray Telescope. Krediet: NASA / DOE / Fermi LAT-samenwerking
Al het licht dat geproduceerd wordt door elke ster die ooit heeft bestaan, is er nog steeds, maar het “zien” en precies meten is buitengewoon moeilijk. Nu konden astronomen die gegevens gebruikten van de Fermi Gamma-ray-ruimtetelescoop van NASA naar verre blazars kijken om het achtergrondlicht te meten van alle sterren die nu en ooit schijnen. Dit maakte de meest nauwkeurige meting van sterrenlicht door het hele universum mogelijk, wat op zijn beurt helpt bij het vaststellen van limieten voor het totale aantal sterren dat ooit heeft geschenen.
"Het optische en ultraviolette licht van sterren blijft door het heelal reizen, zelfs nadat de sterren ophouden te schijnen, en dit creëert een fossiel stralingsveld dat we kunnen onderzoeken met gammastraling van verre bronnen", zegt hoofdwetenschapper Marco Ajello van het Kavli Institute voor Deeltjesastrofysica en kosmologie aan de Stanford University in Californië en het Space Sciences Laboratory aan de University of California in Berkeley.
Hun resultaten geven ook een stellaire dichtheid in de kosmos van ongeveer 1,4 sterren per 100 miljard kubieke lichtjaar, wat betekent dat de gemiddelde afstand tussen sterren in het heelal ongeveer 4.150 lichtjaar is.
De totale som van sterrenlicht in de kosmos wordt het extragalactische achtergrondlicht (EBL) genoemd, en Ajello en zijn team hebben de EBL onderzocht door gammastraling van 150 blazars te bestuderen, die tot de meest energetische verschijnselen in het universum behoren. Het zijn sterrenstelsels die worden aangedreven door extreem energetische zwarte gaten: ze hebben een energie van meer dan 3 miljard elektronvolt (GeV), of meer dan een miljard keer de energie van zichtbaar licht.
De astronomen gebruikten vier jaar Fermi-gegevens over gammastraling met energieën boven 10 miljard elektronvolt (GeV), en het Fermi Large Area Telescope (LAT) -instrument is het eerste dat meer dan 500 bronnen in dit energiebereik detecteert.
Voor gammastraling fungeert de EBL als een soort kosmische mist, maar Fermi heeft de hoeveelheid gammastraling-absorptie gemeten in blazarspectra geproduceerd door ultraviolet en zichtbaar sterlicht op drie verschillende tijdperken in de geschiedenis van het universum.
Fermi heeft de hoeveelheid gammastraalabsorptie gemeten in blazarspectra geproduceerd door ultraviolet en zichtbaar sterlicht op drie verschillende tijdperken in de geschiedenis van het universum. (Credit: NASA's Goddard Space Flight Center)
"Tot nu toe zijn er meer dan duizend gedetecteerd, blazars zijn de meest voorkomende bronnen die door Fermi worden gedetecteerd, maar gammastraling bij deze energieën is zeldzaam en daarom kostte het vier jaar aan gegevens om deze analyse te maken", zei het teamlid Justin Finke, astrofysicus bij het Naval Research Laboratory in Washington.
Gammastralen geproduceerd in blazar-stralen reizen over miljarden lichtjaren naar de aarde. Tijdens hun reis passeren de gammastralen een toenemende mist van zichtbaar en ultraviolet licht dat wordt uitgezonden door sterren die zich door de geschiedenis van het heelal hebben gevormd.
Af en toe botst een gammastraal met sterrenlicht en verandert in een paar deeltjes - een elektron en zijn antimaterie-tegenhanger, een positron. Zodra dit gebeurt, gaat het gammastraallicht verloren. In feite dempt het proces het gamma-stralingssignaal op vrijwel dezelfde manier als mist een verre vuurtoren dimt.
Uit studies van blazars in de buurt hebben wetenschappers bepaald hoeveel gammastralen bij verschillende energieën moeten worden uitgezonden. Meer afgelegen blazars vertonen minder gammastraling bij hogere energieën - vooral boven 25 GeV - dankzij absorptie door de kosmische mist.
De onderzoekers bepaalden vervolgens de gemiddelde demping van gammastralen over drie afstandsbereiken: de dichtstbijzijnde groep was vanaf het moment dat het heelal 11,2 jaar oud was, een middelste groep toen het heelal 8,6 miljard jaar oud was en de verste groep vanaf het moment dat het heelal was 4,1 miljard jaar oud.
Deze animatie volgt verschillende gammastralen door ruimte en tijd, van hun emissie in de straal van een verre blazar tot hun aankomst in Fermi's Large Area Telescope (LAT). Tijdens hun reis neemt het aantal willekeurig bewegende ultraviolette en optische fotonen (blauw) toe naarmate er meer en meer sterren in het universum worden geboren. Uiteindelijk komt een van de gammastralen een foton van sterrenlicht tegen en verandert de gammastraal in een elektron en een positron. De resterende gammastraalfotonen arriveren bij Fermi, werken samen met wolfraamplaten in de LAT en produceren de elektronen en positronen waarvan de paden door de detector astronomen in staat stellen de gammastraling terug te voeren naar hun bron.
Met deze meting konden de wetenschappers de dikte van de mist schatten.
'Deze resultaten geven je zowel een boven- als ondergrens voor de hoeveelheid licht in het heelal en het aantal sterren dat zich heeft gevormd', zei Finke vandaag tijdens een persconferentie. "Eerdere schattingen waren slechts een bovengrens."
En de boven- en ondergrenzen liggen heel dicht bij elkaar, zei Volker Bromm, een astronoom aan de Universiteit van Texas, Austin, die commentaar gaf op de bevindingen. "Het resultaat van Fermi opent de opwindende mogelijkheid om de vroegste periode van kosmische stervorming in te perken en zo het toneel te vormen voor NASA's James Webb Space Telescope", zei hij. "Simpel gezegd, Fermi geeft ons een schaduwbeeld van de eerste sterren, terwijl Webb ze direct zal detecteren."
Het meten van het extragalactische achtergrondlicht was een van de belangrijkste missiedoelen voor Fermi, en Ajello zei dat de bevindingen cruciaal zijn om te helpen bij het beantwoorden van een aantal grote vragen in de kosmologie.
Een paper met de bevindingen werd donderdag gepubliceerd op Science Express.
Bron: NASA
