科学家精确计算出了宇宙中恒星发出的所有的光

在浩渺星空下， 美国克莱姆森大学建在岩石上的实验室显得如此渺小，但那里的科学家近日成功测算了整个可观测宇宙历史上产生的所有星光。

天文学家认为我们的宇宙有137亿年的历史，并在出现几亿年之后形成了第一批恒星，从此开始了它的造星之旅。现在的宇宙中大概有两万亿个星系，差不多兆万亿颗恒星。通过使用测算恒星光线的新方法，克莱姆森大学的天文学家Marco Ajello和他的团队分析了美国航空航天局费米伽玛射线空间望远镜观测到的用于确定宇宙大部分历史时期中恒星形成历史的数据。这篇名为“伽玛射线测定了宇宙恒星形成的历史”的合作文章于11月30日发表在《科学》杂志上。文章介绍了该团队使用的新的测算方法以及最后得到的结果。

Clemson大学天文学家Marco Ajello在11月20日沉浸在Clemson室外实验室壮阔的星空中。

图片来源：Clemson大学Pete Martin

“从费米空间望远镜收集到的数据中，我们能检测到恒星发出的所有光线。这在以前是从来没有做过的。恒星发出的光线大部分都存在于宇宙空间中，这使我们可以更好地了解恒星的演化过程，同时也可以窥探到宇宙是如何制造出这些发光的东西的。” 文章主要作者Ajello说。

将曾经产生的所有光线设定一个值时需要考虑几个变量，这使得很难用简单的术语来对此进行量化。但基于这种新的方法，研究人员将恒星释放并逃逸到宇宙中的光子（可见光粒子）的数量转换成了4 x1084。

尽管这个数量十分惊人，值得提的一点是，除了来自太阳系和银河系的光之外，剩下的那些光线到达地球时已经十分暗淡了，相当于黑夜里一个位于2.5英里开外的60瓦灯泡的光亮。

这张图显示了用费米望远镜观测到的河外背景光中739个耀变体的位置。背景是能量超过100亿电子伏特的伽玛射线所呈现出来的天空。在图中央是银河系。

图片来源：美国航天局/美国能源部/费米望远镜

不过，宇宙中存在的耀变体星系中有超大质量的黑洞，由这些黑洞释放出的狭窄高能粒子束可以跃出星系，以接近光速的速度划过宇宙。当这样的高能粒子束指向地球时，即使它来自很遥远的地方，也能够被观测得到。粒子流释放出的伽玛射线与星云相撞后会留下能被观测到的痕迹。这使得Ajello的团队不仅能够测出特定地点星云的密度，也能够测出宇宙历史上一个特定时间的星云的密度。

“当伽玛射线粒子穿过星云时，被吸收掉的可能性很大。通过测定有多少粒子被吸收，我们就可以计算出星云的厚度，还可以通过时间上的函数变换计算出整个波长范围内的光的数量。”物理学和天文学助理教授Ajello说。

星系调查的方法在宇宙恒星形成历史的研究中已经被使用了几十年。但之前的研究所面临的一个问题是，有些星系距离地球太远或太微弱，以至于望远镜根本无法探测到。这使得科学家不能够直接记录这些遥远星系产生的光，只能对此进行估计。Ajello的团队通过使用费米望远镜的大范围数据分析了银河系外背景光，从而解决了这个问题。从星系中逃逸的光线——包括最遥远的星系在内，最终都变成了背景中的一部分。因此直到最近才能够对这种星云进行一个精确的测算，而不需要对非常遥远的星系发射的光进行估计。Paliya分析了739个耀变体的伽玛射线，这些耀变体中的黑洞质量是我们太阳的质量的几百万到几十亿倍。

“通过利用离我们不同距离的耀变体，我们可以计算出不同时间段内产生的星光的总量。我们计算了每个时代的所有光量——10亿年前、20亿年前、60亿年前等等，最后追溯到第一批恒星出现时。这使得我们可以重建银河系外背景光，并用比以前更有效的方式来确定宇宙恒星形成的历史。”

当高能伽玛射线与低能量的可见光相撞时，它们会转变成正负电子对。据美国航空航天局称，费米探测伽玛射线的能力横跨了一个很宽的能量范围，这使得它特别适合于绘制星云。这些粒子的相互作用发生在一个很遥远的宇宙距离上，这使得Ajello的团队能够比以往更深入地探索宇宙中的恒星形成。 

研究小组成员、物理学和天文系教授Dieter Hartmann表示，这一研究不仅建立了目前的银河系外背景光，而且揭示了它在宇宙历史上的演化，这是本领域的一个重大突。“恒星形成是巨大的宇宙能量、物质和金属循环与再循环过程，是宇宙的发动机。宇宙中如果没有恒星的演化，将不会存在生命必需的基本元素。” Hartmann说。

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编译：潘翰   

审稿：阿淼   

责编：张梦     

期刊来源： 《科学》

期刊编号： 0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2018-11-scientists-starlight-universe.html

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