Dieses Diagramm zeigt die Positionen von 150 Blazaren (grüne Punkte), die in einem vom Fermi-Gammastrahlenteleskop neu verwendeten verwendet werden. Bildnachweis: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration
Alles Licht, das von jedem Stern erzeugt wurde, der jemals existiert hat, ist immer noch da draußen, aber es ist äußerst schwierig, es zu „sehen“ und genau zu messen. Jetzt konnten Astronomen, die Daten vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA verwendeten, entfernte Blazare betrachten, um das Hintergrundlicht aller Sterne zu messen, die jetzt und je scheinen. Dies ermöglichte die genaueste Messung des Sternenlichts im gesamten Universum, was wiederum dazu beiträgt, die Gesamtzahl der jemals leuchtenden Sterne zu begrenzen.
"Das optische und ultraviolette Licht von Sternen wandert weiter durch das Universum, auch wenn die Sterne nicht mehr leuchten. Dadurch entsteht ein fossiles Strahlungsfeld, das wir mit Gammastrahlen aus entfernten Quellen untersuchen können", sagte der leitende Wissenschaftler Marco Ajello vom Kavli-Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie an der Stanford University in Kalifornien und das Space Sciences Laboratory an der University of California in Berkeley.
Ihre Ergebnisse liefern auch eine Sternendichte im Kosmos von ungefähr 1,4 Sternen pro 100 Milliarden kubischen Lichtjahren, was bedeutet, dass der durchschnittliche Abstand zwischen Sternen im Universum ungefähr 4.150 Lichtjahre beträgt.
Die Gesamtsumme des Sternenlichts im Kosmos wird als extragalaktisches Hintergrundlicht (EBL) bezeichnet. Ajello und sein Team untersuchten die EBL, indem sie Gammastrahlen von 150 Blazaren untersuchten, die zu den energetischsten Phänomenen im Universum gehören. Es sind Galaxien, die von extrem energiereichen Schwarzen Löchern angetrieben werden: Sie haben Energien von mehr als 3 Milliarden Elektronenvolt (GeV) oder mehr als das Milliardenfache der Energie von sichtbarem Licht.
Die Astronomen verwendeten vier Jahre lang Fermi-Daten zu Gammastrahlen mit Energien über 10 Milliarden Elektronenvolt (GeV), und das Instrument Fermi Large Area Telescope (LAT) ist das erste, das mehr als 500 Quellen in diesem Energiebereich erfasst.
Für Gammastrahlen fungiert die EBL als eine Art kosmischer Nebel, aber Fermi hat die Menge der Gammastrahlenabsorption in Blazarspektren gemessen, die von ultraviolettem und sichtbarem Sternenlicht in drei verschiedenen Epochen in der Geschichte des Universums erzeugt wurden.
Fermi maß das Ausmaß der Gammastrahlenabsorption in Blazarspektren, die von ultraviolettem und sichtbarem Sternenlicht in drei verschiedenen Epochen in der Geschichte des Universums erzeugt wurden. (Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA)
"Mit mehr als tausend bisher entdeckten Blazaren sind Blazare die häufigsten von Fermi entdeckten Quellen, aber Gammastrahlen bei diesen Energien sind selten, weshalb für diese Analyse vier Jahre Daten benötigt wurden", sagte das Teammitglied Justin Finke, Astrophysiker am Naval Research Laboratory in Washington.
In Blazar-Jets erzeugte Gammastrahlen wandern über Milliarden von Lichtjahren zur Erde. Während ihrer Reise passieren die Gammastrahlen einen zunehmenden Nebel aus sichtbarem und ultraviolettem Licht, das von Sternen emittiert wird, die sich im Laufe der Geschichte des Universums gebildet haben.
Gelegentlich kollidiert ein Gammastrahl mit dem Sternenlicht und wandelt sich in ein Teilchenpaar um - ein Elektron und sein Antimaterie-Gegenstück, ein Positron. Sobald dies geschieht, geht das Gammastrahlenlicht verloren. Tatsächlich dämpft der Prozess das Gammastrahlensignal auf die gleiche Weise, wie Nebel einen entfernten Leuchtturm dimmt.
Aus Studien an nahegelegenen Blazaren haben Wissenschaftler ermittelt, wie viele Gammastrahlen bei unterschiedlichen Energien emittiert werden sollen. Weiter entfernte Blazare zeigen dank der Absorption durch den kosmischen Nebel weniger Gammastrahlen bei höheren Energien - insbesondere über 25 GeV.
Die Forscher bestimmten dann die durchschnittliche Gammastrahlenschwächung über drei Entfernungsbereiche: Die nächste Gruppe stammte aus der Zeit, als das Universum 11,2 Jahre alt war, eine mittlere Gruppe aus der Zeit, als das Universum 8,6 Milliarden Jahre alt war, und die am weitesten entfernte Gruppe aus der Zeit, als das Universum war 4,1 Milliarden Jahre alt.
Diese Animation verfolgt mehrere Gammastrahlen durch Raum und Zeit, von ihrer Emission im Strahl eines entfernten Blazars bis zu ihrer Ankunft in Fermis Large Area Telescope (LAT). Während ihrer Reise nimmt die Anzahl der sich zufällig bewegenden ultravioletten und optischen Photonen (blau) zu, wenn immer mehr Sterne im Universum geboren werden. Schließlich trifft einer der Gammastrahlen auf ein Photon des Sternenlichts und der Gammastrahl wandelt sich in ein Elektron und ein Positron um. Die verbleibenden Gammastrahlenphotonen kommen in Fermi an, interagieren mit Wolframplatten in der LAT und erzeugen die Elektronen und Positronen, deren Wege durch den Detektor es Astronomen ermöglichen, die Gammastrahlen zu ihrer Quelle zurückzuverfolgen.
Aus dieser Messung konnten die Wissenschaftler die Nebeldicke abschätzen.
"Diese Ergebnisse geben Ihnen sowohl eine Ober- als auch eine Untergrenze für die Lichtmenge im Universum und die Menge der Sterne, die sich gebildet haben", sagte Finke heute während einer Pressekonferenz. "Frühere Schätzungen waren nur eine Obergrenze."
Und die oberen und unteren Grenzen liegen sehr nahe beieinander, sagte Volker Bromm, ein Astronom an der Universität von Texas, Austin, der die Ergebnisse kommentierte. "Das Fermi-Ergebnis eröffnet die aufregende Möglichkeit, die früheste Periode der kosmischen Sternentstehung einzuschränken und damit die Voraussetzungen für das James Webb-Weltraumteleskop der NASA zu schaffen", sagte er. "In einfachen Worten, Fermi liefert uns ein Schattenbild der ersten Sterne, während Webb sie direkt erkennt."
Die Messung des extragalaktischen Hintergrundlichts war eines der Hauptziele der Mission für Fermi, und Ajello sagte, die Ergebnisse seien entscheidend für die Beantwortung einer Reihe großer Fragen in der Kosmologie.
Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, wurde am Donnerstag auf Science Express veröffentlicht.
Quelle: NASA
