Zdumiewająca liczba:
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.
Na wypadek, gdybyś zastanawiał się, co oznaczają te wszystkie cyfry, jest to liczba fotonów – bardziej zwięźle wyrażona jako 4 x 1084 – emitowanych przez wszystkie gwiazdy w obserwowalnym wszechświecie, sięgająca czasów, gdy 13,7-miliardowy wszechświat istniał przez zaledwie miliard lat, według zespołu badawczego pod kierownictwem Marco Ajello, astrofizyka w Kolegium Nauki na Uniwersytecie Clemson.
Wyniki oparte zostały na analizie danych z 10-letniego Kosmicznego Teleskopu Fermi Gamma-ray NASA, który umożliwił naukowcom skompilowanie historii powstawania gwiazd przez większą część życia wszechświata.
Pomiar światła gwiazd przez większość historii wszechświata wymagał sporej pomysłowości. Jak wyjaśnia Ajello, całkowita ilość światła emitowanego przez gwiazdy składa się z dwóch rodzajów. „Jednym z nich jest światło gwiazdowe, które przetrwało absorpcję przez pył” – pisze. „To jest to, co zmierzyliśmy. Reszta to światło gwiazdowe pochłonięte przez pył i ponownie emitowane w podczerwieni. Nie jesteśmy na to wrażliwi. Okazuje się, że połowa energii emitowanej przez gwiazdy w całej historii wszechświata jest ponownie przetwarzana przez gwiazdy na dłuższych falach (podczerwonych).”
Niebo jest wypełnione fotonami wyemitowanymi dawno temu przez odległe gwiazdy — nazywa się to pozagalaktycznym światłem tła lub EBL. Niemniej jednak, z wyjątkiem księżyca i gwiazd z naszej własnej galaktyki, naszym oczom wydaje się, że niebo jest ciemne. Według Ajello dzieje się tak dlatego, że większość światła gwiazd docierającego do Ziemi z reszty rozległego wszechświata jest niezwykle słaba – odpowiednik 60-watowej żarówki oglądanej w konkurencyjnej ciemności z odległości około 4 milionów kilometrów.
Jak wyjaśnia Ajello, jego zespół przestudiowali dane z teleskopu Fermiego z 10 lat przyglądając się interakcji EBL z promieniami gamma emitowanymi przez odległe blazary — czarne dziury, które mogą wysyłać potężne strumienie promieniowania do wszechświata. Naukowcy obliczyli, w jakim stopniu promienie gamma z tych blazarów zostały pochłonięte lub zmienione przez zderzenia z fotonami EBL.
„Blazary emitują światło w całym spektrum elektromagnetycznym, ale większość swojej energii uwalniają w paśmie promieniowania gamma,” wyjaśnia Ajello. „Teleskop Large Area Telescope (LAT) na pokładzie Fermi jest w stanie zmierzyć promieniowanie gamma z blazarów o energii od 100 MeV (1 milion razy większej od energii światła widzialnego) do 1 TeV (1 miliarda razy większej od energii światła widzialnego). Proces produkcji pary (gdzie z dwóch fotonów powstaje para elektron-pozyton), który pochłonął promienie gamma emitowane z blazarów, rozpoczyna się dopiero przy energiach ~10 GeV (miliard razy większych od energii światła widzialnego). Tak więc poniżej tej energii obserwowaliśmy prawdziwą, nie zaabsorbowaną, emisję blazara, ale powyżej tego „progu” coraz więcej fotonów z blazarów jest absorbowanych, aż do punktu (jeśli wystarczająco zwiększy się energię), w którym nie zobaczy się już blazara.”
„Szukamy przejścia od zerowej absorpcji do 100-procentowej absorpcji w funkcji energii” – kontynuuje Ajello. „Energia, przy której rozpoczyna się przejście i jak szybko przechodzi od zera do 100 procent, mierzy energię fotonów EBL i ile z nich jest na zewnątrz. Im więcej jest, tym szybsze jest przejście zera do 100 procent (absorpcja) ”.
Ajello opisuje śledzenie EBL jako astrofizyczny odpowiednik „podążania za tęczą i odkrywania garnka złota. EBL to tęcza, a jej wiedza może w końcu ujawnić wiele przydatnych informacji”.
Technika naukowców pozwoliła im zobaczyć historię formowania się gwiazd we wszechświecie, która, jak odkryli, osiągnęła szczyt około 3 miliardów lat po Wielkim Wybuchu i od tego czasu dramatycznie zwolniła.
Obliczenia nie obejmują ilości światła gwiazd wyemitowanego w ciągu pierwszego miliarda lat istnienia wszechświata. „To epoka, której tak naprawdę nie możemy jeszcze zbadać” – wyjaśnia Ajello. To jeden z powodów, dla których on i inni naukowcy nie mogą się doczekać wystrzelenia w 2021 r. Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który według NASA będzie wystarczająco czuły, aby wykryć pierwsze gwiazdy.
