Från deras laboratorier på en stenig planet som är försvagad av rymdens vidd, Forskare från Clemson University har lyckats mäta allt stjärnljus som någonsin producerats genom det observerbara universums historia.

Astrofysiker tror att vårt universum, som är cirka 13,7 miljarder år gammal, började bilda de första stjärnorna när den var några hundra miljoner år gammal. Sedan dess, universum har blivit en star-making tour de force. Det finns nu ungefär två biljoner galaxer och en biljon biljoner stjärnor. Med hjälp av nya metoder för stjärnljusmätning, Astrofysikern Marco Ajello från Clemson College of Science och hans team analyserade data från NASA:s Fermi Gamma-ray Space Telescope för att fastställa historien om stjärnbildning under större delen av universums livstid.

En samarbetsartikel med titeln "A gamma-ray determination of the Universe's star-formation history" publicerades den 30 november i tidskriften Vetenskap och beskriver resultaten och konsekvenserna av teamets nya mätprocess.

"Från data som samlats in av Fermi-teleskopet, vi kunde mäta hela mängden stjärnljus som någonsin sänds ut. Detta har aldrig gjorts förut, sa Ajello, som är huvudförfattare till tidningen. "Det mesta av detta ljus sänds ut av stjärnor som lever i galaxer. Och så, detta har gjort det möjligt för oss att bättre förstå stjärnutvecklingsprocessen och få fängslande insikter om hur universum producerade sitt lysande innehåll."

Att sätta en siffra på mängden stjärnljus som någonsin producerats har flera variabler som gör det svårt att kvantifiera i enkla termer. Men enligt den nya mätningen, antalet fotoner (partiklar av synligt ljus) som flydde ut i rymden efter att ha sänts ut av stjärnor översätts till 4x10 ⁸⁴ .

Trots detta ofantligt stora antal, det är intressant att notera att med undantag för ljuset som kommer från vår egen sol och galax, resten av stjärnljuset som når jorden är extremt svagt – motsvarande en 60-watts glödlampa som ses i totalt mörker på cirka 2,5 mils avstånd. Detta beror på att universum är nästan obegripligt enormt. Det är också därför himlen är mörk på natten, annat än ljus från månen, synliga stjärnor och Vintergatans svaga sken.

Fermi Gamma-ray Space Telescope lanserades i låg omloppsbana den 11 juni, 2008, och firade nyligen sitt 10-årsjubileum. Det är ett kraftfullt observatorium som har tillhandahållit enorma mängder data om gammastrålar (den mest energiska formen av ljus) och deras interaktion med det extragalaktiska bakgrundsljuset (EBL), som är en kosmisk dimma som består av allt det ultravioletta, synligt och infrarött ljus som sänds ut av stjärnor eller från damm i deras närhet. Ajello och postdoktor Vaidehi Paliya analyserade nästan nio år av data om gammastrålningssignaler från 739 blazarer.

Blazarer är galaxer som innehåller supermassiva svarta hål som kan släppa ut snävt kollimerade strålar av energiska partiklar som hoppar ut ur deras galaxer och sträcker sig över kosmos med nästan ljusets hastighet. När ett av dessa strålar råkar peka direkt mot jorden, det är detekterbart även när det kommer från extremt långt borta. Gammastrålningsfotoner som produceras i strålarna kolliderar så småningom med den kosmiska dimman, lämnar ett observerbart avtryck. Detta gjorde det möjligt för Ajellos team att mäta dimmans täthet inte bara på en given plats utan också vid en given tidpunkt i universums historia.

"Gammastrålningsfotoner som färdas genom en dimma av stjärnljus har stor sannolikhet att absorberas, sa Ajello, en biträdande professor vid institutionen för fysik och astronomi. "Genom att mäta hur många fotoner som har absorberats, vi kunde mäta hur tjock dimman var och även mäta, som en funktion av tiden, hur mycket ljus det fanns i hela våglängdsområdet."

Med hjälp av galaxundersökningar, universums stjärnbildningshistoria har studerats i decennier. Men ett hinder för tidigare forskning var att vissa galaxer var för långt borta, eller för svag, för alla dagens teleskop att upptäcka. Detta tvingade forskare att uppskatta stjärnljuset som produceras av dessa avlägsna galaxer snarare än att direkt registrera det.

Ajellos team kunde kringgå detta genom att använda Fermis Large Area Telescope-data för att analysera det extragalaktiska bakgrundsljuset. Stjärnljus som undkommer galaxer, inklusive de mest avlägsna, blir så småningom en del av EBL. Därför, exakta mätningar av denna kosmiska dimma, som först nyligen blivit möjliga, eliminerade behovet av att uppskatta ljusemissioner från ultraavlägsna galaxer.

Paliya utförde gammastrålningsanalysen av alla 739 blazarer, vars svarta hål är miljoner till miljarder gånger mer massiva än vår sol.

"Genom att använda blazarer på olika avstånd från oss, vi mätte det totala stjärnljuset vid olika tidsperioder, " sa Paliya vid institutionen för fysik och astronomi. "Vi mätte det totala stjärnljuset för varje epok - för en miljard år sedan, för två miljarder år sedan, för sex miljarder år sedan, etc. - ända tillbaka till när stjärnor först bildades. Detta gjorde det möjligt för oss att rekonstruera EBL och bestämma universums stjärnbildningshistoria på ett mer effektivt sätt än vad som hade uppnåtts tidigare."

När högenergigammastrålar kolliderar med synligt ljus med låg energi, de omvandlas till par av elektroner och positroner. Enligt NASA, Fermis förmåga att upptäcka gammastrålar över ett brett spektrum av energier gör den unikt lämpad för att kartlägga den kosmiska dimman. Dessa partikelinteraktioner sker över enorma kosmiska avstånd, vilket gjorde det möjligt för Ajellos grupp att sondera djupare än någonsin i universums stjärnbildande produktivitet.

"Forskare har försökt mäta EBL under lång tid. mycket ljusa förgrunder som zodiakalljuset (som är ljus spritt av damm i solsystemet) gjorde denna mätning mycket utmanande, " sa medförfattaren Abhishek Desai, en forskarassistent vid institutionen för fysik och astronomi. "Vår teknik är okänslig för någon förgrund och övervann därmed dessa svårigheter på en gång."

Stjärnbildning, som uppstår när täta områden av molekylära moln kollapsar och bildar stjärnor, nådde en topp för cirka 11 miljarder år sedan. Men även om födelsen av nya stjärnor har saktat ner, det har aldrig slutat. Till exempel, ungefär sju nya stjärnor skapas i vår galax Vintergatan varje år.

Att etablera inte bara dagens EBL, men att avslöja dess utveckling i kosmisk historia är ett stort genombrott inom detta område, enligt teammedlemmen Dieter Hartmann, professor vid institutionen för fysik och astronomi.

"Stjärnbildning är en stor kosmisk kretslopp och återvinning av energi, materia och metaller. Det är universums motor, ", sa Hartmann. "Utan stjärnornas utveckling, vi skulle inte ha de grundläggande elementen som behövs för livets existens."

Att förstå stjärnbildning har också konsekvenser för andra områden av astronomiska studier, inklusive forskning om kosmiskt damm, galaxutveckling och mörk materia. Teamets analys kommer att ge framtida uppdrag en riktlinje för att utforska de tidigaste dagarna av stjärnutvecklingen – som det kommande rymdteleskopet James Webb, som kommer att lanseras 2021 och kommer att göra det möjligt för forskare att jaga efter bildandet av urgalaxer.

"De första miljarderna av vårt universums historia är en mycket intressant epok som ännu inte har undersökts av nuvarande satelliter, ", avslutade Ajello. "Vår mätning tillåter oss att kika in i den. Kanske kommer vi en dag att hitta ett sätt att se hela vägen tillbaka till Big Bang. Detta är vårt yttersta mål."