Astrofizičari su izmjerili sva svjetla.
Zemlja blijedo svijetli od vreve čovječanstva. Izdaleka ne možete odabrati pojedinačne domove, pa čak ni gradove, ali praćenjem kolektivnih fotona koje bacaju naši reflektori i ulična svjetla s vremenom, možda ćete moći dobiti grubi dojam o usponu tehnološke civilizacije—i mogli biste primijetiti jesu li se sva svjetla počela gasiti van.
Ista priča vrijedi i za svemir općenito.
Zvijezde su ultimativne žarulje, i dok neke od njihovih zraka završe u česticama prašine, druge pobjegnu netaknute. Svemir je na glasu kao hladan i taman, ali vani u relativno praznoj praznini između galaksija, te odbjegle čestice svjetlosti zajedno stvaraju difuzno svjetlucanje posvuda. Ovaj vam sjaj govori što je vani bez gnjavaže brojanja svih zvijezda i galaksija jednu po jednu. Posuđujući alate iz fizike čestica, međunarodni tim astrofizičara izveo je najpreciznije i sveobuhvatnije mjerenje ove svjetlosti, kolektivnog sjaja svih svemira zvijezde.
Njihovi rezultati, objavljeno u četvrtak u Znanost, ispričajte epsku priču koja pokriva veći dio povijesti svemira, pa čak i zavirite u veo prvih milijardi godina kozmosa - epohe nevidljive tradicionalnim astronomima. "Nikada ne bih vjerovao da je mjerenje ove vrste moguće", kaže Marko Ajelo, astrofizičar sa Sveučilišta Clemson i voditelj tima.
Da biste pronašli izvangalaktičku pozadinsku svjetlost, kako je zovu oni koji to znaju, ne možete samo usmjeriti svoj teleskop na mrlja crnog neba i broj fotona: nećete moći razlikovati lokalne sunčeve zrake od istinski vanjskih zraka svjetlo. Umjesto toga, tim je iskoristio stotine kozmičkih nezgoda.
Ogromne crne rupe leže u središtu većine galaksija, a neke od najmonstruoznijih propuštaju nezamislivo silovite mlazove gama zraka para u svemir—područje manje od našeg Sunčevog sustava ispušta onoliko energije koliko i cijeli naš galaksija. Kada se ti mlazovi usmjere ravno prema Zemlji, astronomi ih nazivaju blazarima. Oni su neki od najmoćnijih prirodnih akceleratora čestica, a NASA-in svemirski teleskop Fermi jedan je od najboljih detektora gama zraka u čovječanstvu.
“Zahvaljujući Fermiju i našem radu, možemo kombinirati dva različita polja, fiziku visokih energija i klasičnu astronomije”, kaže Alberto Domínguez, astronom sa Sveučilišta Computense u Madridu u Španjolskoj i ko-autor.
Tim je analizirao devetogodišnje Fermijeve podatke koji sadrže svjetlost više od 700 blazara i jednu eksploziju gama zraka i otkrili da zrake su postajale sve slabije dok su putovale, probijajući se kroz pozadinsko svjetlo koje ispunjava svemir poput farova koji ga probijaju magla. Što je magla bila gušća, svjetla su bila prigušena, pa je usporedba blazara blizu i daleko otkrila svjetlinu interferirajućeg pozadinskog svjetla. A budući da su gama-zrakama trebale milijarde godina da dođu ovdje, tim je također mogao vidjeti pozadinsko svjetlo kakvo se pojavljivalo u prošlosti. "Vraćamo se prilično daleko u prošlost, što je doista jedno od otkrića", kaže Domínguez. "Uspjeli smo pokriti 90 posto povijesti svemira."
Dok su sve galaksije ikada izbacile dosta fotona u prazninu tijekom eona, što nije iznenađujuće, ta svjetlost ne sija tako jako. Kad biste mogli ugasiti sva svjetla na Zemlji i namignuti svim zvijezdama na Mliječnom putu, nebo se ne bi sasvim zatamnilo. Sjajala bi svjetlinom žarulje od 60 vata gledana s udaljenosti od 2,5 milja, prema Ajellu. Njegova tama govori o klasičnom paradoksu u kozmologiji: ako su zvijezde posvuda gdje pogledate, zašto noćno nebo nije zasljepljujuće svijetlo cijelo vrijeme? Dio odgovora, prema suvremenim kozmolozima—i Edgaru Allanu Poeu, koji nekako prvi riješio zagonetku-jest da je eksplozivno širenje svemira razrijedilo svjetlost dok se širi svemirom.
I tako, dok se galaksije bore da osvijetle tamu koja se širi, rezultirajući skromni sjaj prati aktivnost svemira kroz stoljeća. Domínguez očekuje da će novo mjerenje rasvijetliti misterije od zamračenog podrijetla kozmosa do njegovog budućnost vođena ekspanzijom, ali prvo se tim usredotočio na rješavanje rasprave o 13-ak milijardi godina u sredini: jesmo li propustili neke glavne likove u našoj priči o tome kako su nastale zvijezde i galaksije?
Prijašnje studije formiranja zvijezda zavirile su duboko u svemir i izmjerile ultraljubičastu svjetlost masivnih zvijezda koje imaju tendenciju živjeti brzo i umrijeti mladi, ali nitko nije mogao biti siguran da ovim istraživanjima ne nedostaju galaksije koje su bile preslabe da vidjeti. Ali kozmička magla predstavlja svjetlost iz svih galaksija bez obzira koliko male bile, a timski rekonstruirani vremenski slijed pruža potpuno nove dokaze koji podupiru općeprihvaćeni luk. Zvijezde su se isprva stvarale polako, a zatim sve brže i brže dok nisu dosegle vrhunac oko tri do četiri milijarde godina nakon velikog praska, a zatim su otpale kako je zvjezdanih tvari bilo sve manje, a galaksije su se sve više udaljavale. Danas Mliječna staza rađa oko 7 novih zvjezdica godišnje, tako da su slične galaksije u mladosti svemira mogle proizvesti 70 ili 80. "Naš je svemir bio osvijetljen poput božićnog drvca", kaže Ajello.
Novi rezultat ne uključuje nikakvu svjetlost koja je pogodila čestice prašine i ponovno je emitirana kao toplina u infracrvenom zračenju—što predstavlja otprilike polovicu energije pozadinskog svjetla - ali Domínguez kaže da su uzeli u obzir ovu slijepu točku u svojoj rekonstrukciji zvijezde formiranje.
Ajellov tim nije prvi koji je istraživao kozmičku maglu između galaksija. Njihov se rad nadograđuje desetljeća teoretskih procjena i pokušaja zemaljskog i svemirskog izravnog hvatanja fotona. Ali uz svjetlo od sunca koje se odbija od lokalnih čestica prašine koje su nadmašile pozadinsko svjetlo 100 prema 1, bilo je to poput lova na krijesnice u podne. "Moraš izaći iz galaksije", kaže Joel Primack, kozmolog sa Sveučilišta u Santa Cruzu koji nije bio član Ajellovog tima, ali je odigrao ulogu u razvoju teorije koja je u osnovi mjerenja. “Kako ćeš izaći iz galaksije? Odgovor je, ove gama zrake.”
Mjerenje magle njezinom interferencijom s gama zrakama postalo je moguće tek zahvaljujući boljem razumijevanju blazara posljednjih godina. Domínguez, Ajello i mnogi drugi dokazao je izvedivu ideju korištenjem Fermijevih podataka 2012., ali novi rad koristi širi raspon izvora i nadograđen softver za pomicanje od četiri milijarde godina nakon velikog praska natrag do konačnog cilja - prve milijarde godina. “Uvijek želimo tražiti tamo gdje ne možemo”, kaže Ajello.
Ovo doba ostaje skriveno modernim astronomima jer je gusta izmaglica vodikovih atoma blokirala kretanje svjetlosti, a kozmolozi se pitaju što je točno emitiralo ultraljubičasto svjetlo koje je svemir pročistilo - zvjezdane galaksije ili mlazovi crnih rupa, jer primjer. Fermi ne može razriješiti dovoljno udaljene blazare da bi konačno riješio raspravu, ali timsko mjerenje pozadinske svjetlosti drži zvjezdane galaksije u trci.
Ajello se nada da bi se hvatanje udaljenijih — ali prolaznijih — eksplozija gama zraka moglo pomaknuti još dalje u ove rane dane. "Morate biti vrlo brzi i rotirati veliki optički teleskop dok su još svijetli", kaže on. “To bi bilo spektakularno.”
