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Wir wissen endlich, wie hell das Universum ist

2019

Die Erde glüht schwach vor der Hektik der Menschheit. Aus der Ferne können Sie weder einzelne Häuser noch Städte ausfindig machen. Wenn Sie jedoch die kollektiven Photonen verfolgen, die unsere Scheinwerfer und Straßenlaternen im Laufe der Zeit ausstrahlen, können Sie möglicherweise einen groben Eindruck vom Aufstieg der technologischen Zivilisation gewinnen - und von Ihnen Es könnte auffallen, wenn alle Lichter ausgehen.

Die gleiche Geschichte gilt für das gesamte Universum.

Sterne sind die ultimativen Glühbirnen, und während einige ihrer Strahlen in Staubpartikel zerfallen, gelangen andere unversehrt davon. Der Weltraum hat den Ruf, kalt und dunkel zu sein, aber draußen in der vergleichsweise leeren Leere zwischen den Galaxien erzeugen diese entweichenden Lichtteilchen überall einen diffusen Schimmer. Dieses Leuchten zeigt Ihnen, was da draußen ist, ohne dass Sie mühsam alle Sterne und Galaxien nacheinander zählen müssen. Ein internationales Team von Astrophysikern hat Werkzeuge aus der Teilchenphysik ausgeliehen und die genaueste und umfassendste Messung dieses Lichts durchgeführt, das kollektive Leuchten aller Sterne des Universums.

Ihre Ergebnisse, die am Donnerstag in Science veröffentlicht wurden, erzählen eine epische Geschichte, die den größten Teil der Geschichte des Universums abdeckt, und befassen sich sogar mit dem Schleier der ersten Milliarden Jahre des Kosmos - einer für traditionelle Astronomen unsichtbaren Epoche. "Ich hätte nie gedacht, dass eine Messung dieser Art möglich ist", sagt Marco Ajello, Astrophysiker an der Clemson University und Teamleiter.

Um das extragalaktische Hintergrundlicht zu finden, wie es die Kenner nennen, können Sie Ihr Teleskop nicht einfach auf einen Fleck schwarzen Himmels richten und Photonen zählen: Sie haben keine Möglichkeit, lokale Sonnenstrahlen von wirklich externen Lichtstrahlen zu unterscheiden. Vielmehr nutzte das Team Hunderte von kosmischen Unfällen.

Riesige schwarze Löcher liegen in der Mitte der meisten Galaxien, und einige der ungeheuerlichsten lassen unvorstellbar heftige Gammastrahlen in den Weltraum fliegen - eine Fläche, die kleiner ist als unser Sonnensystem und so viel Energie abgibt wie unsere gesamte Galaxie. Wenn diese Jets direkt auf die Erde gerichtet sind, nennen sie die Astronomen Blazare. Sie gehören zu den leistungsstärksten Teilchenbeschleunigern der Natur, und das Fermi-Weltraumteleskop der NASA ist einer der besten Gammastrahlendetektoren der Menschheit.

„Dank Fermi und unserer Arbeit können wir zwei verschiedene Bereiche, die Hochenergiephysik und die klassische Astronomie, kombinieren“, sagt Alberto Domínguez, Astronom an der Computense-Universität von Madrid in Spanien und Mitautor.

Das Team analysierte neun Jahre Fermi-Daten, die das Licht von mehr als 700 Blazaren und einen Gammastrahlenstoß enthielten, und stellte fest, dass die Strahlen auf ihrer Reise schwächer wurden und durch das Hintergrundlicht pflügten, das das Universum füllt wie Scheinwerfer, die durch den Nebel schneiden. Je dichter der Nebel, desto schwächer die Scheinwerfer, sodass ein Vergleich von Blazaren in der Nähe und in der Ferne die Helligkeit des störenden Hintergrundlichts erkennen lässt. Und da die Gammastrahlen Milliarden von Jahren gebraucht haben, konnte das Team auch das Hintergrundlicht sehen, wie es in der Vergangenheit auftrat. »Wir gehen ziemlich weit zurück, was wirklich einer der Durchbrüche ist«, sagt Domnguez. "Wir konnten 90 Prozent der Geschichte des Universums abdecken."

Während alle Galaxien jemals überraschenderweise einige Photonen in die Leere über den Äonen gespuckt haben, scheint dieses Licht nicht so hell. Wenn Sie alle Lichter auf der Erde ausschalten und alle Sterne in der Milchstraße ausblenden könnten, würde der Himmel nicht ganz dunkel werden. Laut Ajello würde es mit der Helligkeit einer 60-Watt-Glühbirne leuchten, wenn man es aus einer Entfernung von 4 km betrachtet. Seine Dunkelheit spricht für ein klassisches Paradoxon in der Kosmologie: Wenn überall Sterne zu sehen sind, warum ist der Nachthimmel dann nicht die ganze Zeit blendend hell? Laut den modernen Kosmologen und Edgar Allan Poe, die das Rätsel irgendwie zuerst gelöst haben, ist ein Teil der Antwort, dass die explosive Expansion des Universums das Licht auf dem Weg durch den Raum verdünnt hat.

Während Galaxien darum kämpfen, die sich ausbreitende Dunkelheit zu erhellen, hat der daraus resultierende bescheidene Schimmer die Aktivität des Universums über die Jahrhunderte verfolgt. Dom nguez geht davon aus, dass die neue Messung Geheimnisse von den verdeckten Ursprüngen des Kosmos bis zu seiner expansionsgetriebenen Zukunft aufdecken wird. Zunächst konzentrierte sich das Team jedoch darauf, eine Debatte über die ungeraden 13 Milliarden Jahre in der Mitte zu führen: Haben wir irgendeinen Major verpasst? Zeichen in unserer Geschichte, wie Sterne und Galaxien entstanden sind?

Frühere Studien zur Sternentstehung haben tief in den Weltraum geschaut und das ultraviolette Licht der massereichen Sterne gemessen, die in der Regel schnell leben und jung sterben. Niemand konnte jedoch sicher sein, dass in diesen Untersuchungen keine Galaxien fehlten, die zu schwach waren, um gesehen zu werden. Aber der kosmische Nebel repräsentiert Licht von allen Galaxien, egal wie klein sie sind, und die rekonstruierte Zeitachse des Teams liefert eine völlig neue Beweislinie, die den allgemein akzeptierten Bogen stützt. Zuerst bildeten sich die Sterne langsam und dann immer schneller, bis sie etwa drei bis vier Milliarden Jahre nach dem Urknall ihren Höhepunkt erreichten. Dann fielen sie ab, als das Sternenmaterial zur Neige ging und sich die Galaxien weiter auseinander bewegten. Heute bringt die Milchstraße ungefähr 7 neue Sterne pro Jahr zur Welt, so dass ähnliche Galaxien in der Jugend des Universums 70 oder 80 hervorgebracht haben könnten. "Unser Universum wurde beleuchtet wie ein Weihnachtsbaum, sagt Ajello.

Das neue Ergebnis enthält kein Licht, das auf Staubpartikel auftrifft und im Infrarot als Wärme wieder abgegeben wird, die etwa die Hälfte der Energie des Hintergrundlichts ausmacht, aber laut Domínguez Diesen toten Winkel haben wir bei der Rekonstruktion der Sternentstehung berücksichtigt.

Ajellos Team ist nicht das erste, das den kosmischen Nebel zwischen Galaxien untersucht. Ihre Arbeit basiert auf jahrzehntelangen theoretischen Schätzungen und sowohl auf boden- als auch weltraumbasierten Versuchen, die Photonen direkt einzufangen. Da jedoch das Sonnenlicht von lokalen Staubpartikeln reflektiert wurde, die 100 zu 1 über dem Hintergrundlicht lagen, war es, als würde man mittags nach Glühwürmchen suchen. "Man muss die Galaxie verlassen", sagt Joel Primack, ein Kosmologe an der Universität von Santa Cruz, der nicht Mitglied von Ajellos Team war, aber eine Rolle bei der Entwicklung der der Messung zugrunde liegenden Theorie gespielt hat raus aus der Galaxie? Die Antwort ist, diese Gammastrahlen. "

Die Messung des Nebels anhand seiner Interferenz mit Gammastrahlen wurde erst durch ein besseres Verständnis der Blazare in den letzten Jahren möglich. Domínguez, Ajello und viele andere haben 2012 die Machbarkeit der Idee unter Verwendung von Fermi-Daten bewiesen, aber die neue Arbeit verwendet eine breitere Palette von Quellen und eine aktualisierte Software, um von vier Milliarden Jahren nach dem Urknall zurück zum endgültigen Ziel zu gelangen - den ersten Milliarden Jahren . "Wir wollen immer schauen, wo wir Ajello nicht sagen können.

Diese Ära bleibt den modernen Astronomen verborgen, weil ein dicker Dunst von Wasserstoffatomen die Bewegung des Lichts blockierte und Kosmologen sich genau fragen, was das ultraviolette Licht emittiert hat, das das Universum klar gemacht hat - zum Beispiel Sternengalaxien oder Schwarze-Löcher-Jets. Fermi kann nicht weit genug entfernte Blazare auflösen, um die Debatte endgültig zu beenden, aber die Hintergrundlichtmessung des Teams hält Sternengalaxien im Rennen.

Ajello hofft, dass das Fangen entfernterer - und dennoch flüchtigerer - Gammastrahlenausbrüche noch weiter in diese frühen Tage zurückreichen könnte. "Man muss sehr schnell sein und ein großes optisches Teleskop drehen, solange es noch hell ist", sagt er. "Das wäre spektakulär."

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