Гамма-лучи помогли ученым заглянуть в прошлое Вселенной

Астрофизики, используя данные орбитального гамма-телескопа Ферми, проанализировали внегалактический фоновый свет и выявили пик формирования звезд при красном смещении z ~ 2. Это согласно стандартной космологической модели соответствует моменту в прошлом Вселенной около 10 миллиардов лет назад. Проведенный анализ оценивает скорость образования звезд и дает ориентир для будущих миссий, которые будут исследовать все еще темные периоды ранних дней звездной эволюции. Исследование опубликовано в Science.

Звезды создают большую часть света, который мы видим, и синтезируют большинство тяжелых элементов, таких как кремний и железо. Однако несмотря на огромное количество звезд и галактик во Вселенной мы видим лишь тот свет, что исходит от Солнца и нашей галактики, весь остальной чрезвычайно тусклый. Поэтому ночью небо темное, а кроме лунного света, видны лишь звезды и слабое свечение Млечного Пути. Этот эффект называется парадокс Ольберса.

Свет, излучаемый всеми галактиками за всю историю Вселенной, производит так называемый внегалактический фоновый свет (ВФС) на ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных длинах волн. Он продолжает лететь по космосу еще долго даже после того, как его источники сгорели, и представляет собой своеобразный космический туман, который мешает ученым наблюдать первоисточники света. Но через него способны проникать гамма-лучи, будучи самой высокоэнергетической формой света. Пролетая через внегалактический фоновый свет, они вступают во взаимодействия с частицами света на всех длинах волн, оставляя «отпечаток» в своем спектре. Столкновение между высокоэнергетическим гамма-лучом и инфракрасным светом, например, превращает энергию в пару частиц, электрон и его аналог антиматерии, позитрон. Тот же процесс происходит, когда гамма-лучи средней энергии взаимодействуют с видимым светом, а гамма-лучи низкой энергии взаимодействуют с ультрафиолетовым светом. С помощью орбитального гамма-телескопа Ферми, который в этом году отметил свое десятилетие, ученые могут обнаруживать эти следы затухания гамма-излучения и заглядывать, таким образом, в глубины Вселенной.

Астрофизики из университета Клемсона проанализировали гамма-сигналы от 739 блазаров (галактик с массивными черными дырами в своих центрах с релятивистскими джетами, направленными в сторону наблюдателя), собранные телескопом Ферми в течение девяти лет. Их исследование в пять раз увеличило количество блазаров, анализированных Ферми ранее и помогло построить модель внегалактического фонового света, начиная с момента, когда возраст Вселенной составлял 10% от сегодняшнего. Ученые выявили, что пик звездообразования происходил примерно 10 миллиардов лет назад. Однако следует оговориться, что ученые не могу измерить расстояние напрямую, так как Вселенная расширилась, пока излучение шло до нас. Они определяли его, анализируя красное смещение ВФС. Прочитать о том, в каких единицах и как астрономы измеряют космические расстояние можно здесь и здесь.

Новое исследование стало важным подтверждением предыдущих измерений скорости звездообразования, полученных с помощью миссий, таких как телескоп Хаббл, которые анализируют отдельные источники света в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Однако подобные исследования не способны уловить более тусклые звезды и галактики и не могут объяснить звездообразование, которое происходило в межгалактическом пространстве. Анализ внегалактического фонового света включает излучение из всех источников и позволяет избежать таких проблем. А подтверждение результатов предыдущих исследований показывает, что анализ внегалактического фонового света должным образом учитывает красные смещения далеких галактик.

Понимание звездообразования имеет значение для других областей астрономических исследований, включая исследования космической пыли, эволюции галактик и темной материи. Анализ команды предоставит будущим миссиям руководство для изучения самых ранних дней звездной эволюции. Одной из таких миссий станет космический телескоп «Джеймс Уэбб», который будет запущен в 2021 году и позволит ученым изучать формирование изначальных галактик. Одна из главных его целей — разгадать, что произошло в первый миллиард лет. Возможно, однажды ученые даже найдут способ вернуться к Большому Взрыву.

Ранее астрономам уже удавалось найти самые ранние звезды во Вселенной. Тогда ученые смогли рассмотреть галактики, сформировавшиеся в эпоху реионизации, спустя всего 800 миллионов лет после Большого Взрыва. Кроме того, ученые изучили образование звезд в пылевой галактике возрастом 12.8 миллиарда лет назад.

Тимофей Кочкар