宇宙中星光的總量能幫助天文學家揭開恒星形成的完整歷史

文章作者:bianji3 | 2018-12-06
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  4×1084,這個巨大的數字實際上是宇宙歷史中所有恒星發出的光子的總數。4×1084是個什么樣的概念?

  如果我們的太陽(只剩下幾十億年的壽命)能夠繼續燃燒1032年,那么它所能釋放出的光子總數大約是這個數字。

  科學家是如何得知這個數字的?

  我們知道,自大爆炸以來,宇宙已經持續不斷地膨脹了138億年。從任何方向看,我們視野所及的最遠距離為461億光年,在這個范圍內有大約2萬億個星系。

  每個星系平均包含了數千億顆恒星,每顆恒星大約由1057個原子組成。

  大部分恒星誕生于分子云,新形成的恒星所輻射出的星光會穿梭在宇宙之中,與它們遇到的所有原子相互作用。

  而最有趣的是,星光有可能與能量最高的光子——伽馬射線相互作用,從而產生新的粒子:電子-正電子對(正電子是電子的反粒子)。

  這對那些運用太空伽馬射線望遠鏡進行研究的科學家來說尤為有趣。

左邊顯示的是純能量(黃色波浪線)可以產生物質-反物質對,右邊顯示的過程則完全相反——物質-反物質會湮滅變成純能量。

  在宇宙中,一些星系中央擁有活躍的超大質量黑洞,它們是非常好的極高能粒子(包括伽馬射線)發射體。

  超大質量黑洞的周圍會形成一個由氣體、塵埃等組成的吸積盤。當盤中的物質落入黑洞時,引力能會轉化為光,使這些星系的中心非常明亮。

  在某些情況下,落入的帶電粒子會被磁場加速,形成以接近光速運動的相對論性噴流(如下圖)。

耀變體會加速質子,從而產生π介子;π介子會進一步產生中微子和伽馬射線。

  然而,無論何時,當你觀察遙遠宇宙中的任何物體時,視線所經之處都有物質存在。

  氣體云的存在會吸收一部分的光,我們可以通過分析吸收線來計算這部分的光。

  星系和星系團經常會干擾信號;我們可以測量它們的亮度、密度和其他屬性,以校準我們所研究的每一個耀變體。

  此外,耀變體散布在宇宙之中,來自太陽系的黃道效應和來自銀河系的前景效應都會影響我們所看到的耀變體。

  而每一個耀變體都有著本質上獨一無二的能量和通量特性。

  通過確定從耀變體到地球之間都存在哪些東西,我們就可以確定被研究的耀變體的源屬性,從而也就有了一個校準良好的工作起點。

  這也提供了一種方法,可以使用伽馬射線望遠鏡來測量宇宙中所有的星光。我們可以這樣做:

  首先,測量宇宙中所有被發現的耀變體。然后,測量每個耀變體的紅移,這樣就可以知道它距離地球有多遠。

  接著,測量伽馬射線望遠鏡接收到的伽馬射線的數量,將其作為紅移和耀變體亮度的函數。

  最后,如前所述,當伽馬射線與銀河系外的背景星光碰撞時,會產生電子-正電子對。利用所有這些信息,就可以計算出必須存在多少的背景星光,才能解釋損失掉的伽馬射線。

有了這些信息,費米-LAT合作項目(LAT是費米上的大區域望遠鏡儀器)研究了739個耀變體。

  在這些耀變體中,距離我們最近的也有2億光年之遠,而最遠的距離我們116億光年——這意味著從耀變體出發的光,經過了116億年才能抵達地球,而那時宇宙的年齡只有22億年。

  他們的發現證實了之前的結果,并且提高了精度:大約100億年前,宇宙中的恒星形成率就達到了峰值,此后一直在下降(如下圖)。

耀變體會加速質子,從而產生π介子;π介子會進一步產生中微子和伽馬射線。

  今天,恒星形成率只有早期最大形成率的3%,而宇宙形成新恒星的速率還在繼續下降。換句話說,宇宙正在消亡,而我們卻無能為力。

  當一個星系產生的噴流正好指向地球時,它最明亮,因此也被稱為耀變體。

  但這項研究得出了一個有趣而新穎的革命性結果。根據費米望遠鏡收集到的數據,科學家有史以來第一次能夠測量整個宇宙歷史中發出的全部星光。

  這是前所未有的。這些星光的總量是多少呢?就是開頭提到的數字:4×1084個光子,這個數字是宇宙中所有質子、中子、電子總數的數千倍!這一發現可以幫助天文學家揭開恒星形成的完整歷史。

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