Dai loro laboratori su un pianeta roccioso sminuito dalla vastità dello spazio, Gli scienziati della Clemson University sono riusciti a misurare tutta la luce stellare mai prodotta nel corso della storia dell'universo osservabile.

Gli astrofisici credono che il nostro universo, che ha circa 13,7 miliardi di anni, iniziò a formare le prime stelle quando aveva poche centinaia di milioni di anni. Da allora, l'universo è diventato un tour de force di star. Ora ci sono circa due trilioni di galassie e un trilione di trilioni di stelle. Utilizzando nuovi metodi di misurazione della luce stellare, L'astrofisico del Clemson College of Science Marco Ajello e il suo team hanno analizzato i dati del telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA per determinare la storia della formazione stellare durante la maggior parte della vita dell'universo.

Un documento collaborativo intitolato "Una determinazione dei raggi gamma della storia della formazione stellare dell'Universo" è stato pubblicato il 30 novembre sulla rivista Scienza e descrive i risultati e le ramificazioni del nuovo processo di misurazione del team.

"Dai dati raccolti dal telescopio Fermi, siamo stati in grado di misurare l'intera quantità di luce stellare mai emessa. Questo non è mai stato fatto prima, " disse Ajello, chi è l'autore principale dell'articolo. "La maggior parte di questa luce è emessa dalle stelle che vivono nelle galassie. E così, questo ci ha permesso di comprendere meglio il processo di evoluzione stellare e ottenere intuizioni accattivanti su come l'universo ha prodotto il suo contenuto luminoso".

Mettere un numero sulla quantità di luce stellare mai prodotta ha diverse variabili che rendono difficile quantificare in termini semplici. Ma secondo la nuova misurazione, il numero di fotoni (particelle di luce visibile) che sono fuggiti nello spazio dopo essere stati emessi dalle stelle si traduce in 4x10 ⁸⁴ .

Nonostante questo numero straordinariamente grande, è interessante notare che, ad eccezione della luce che proviene dal nostro sole e dalla nostra galassia, il resto della luce stellare che raggiunge la Terra è estremamente debole, equivalente a una lampadina da 60 watt vista nella completa oscurità da circa 2,5 miglia di distanza. Questo perché l'universo è quasi incomprensibilmente enorme. Anche per questo il cielo è buio di notte, altro che luce di luna, stelle visibili e il debole bagliore della Via Lattea.

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi è stato lanciato in orbita bassa l'11 giugno 2008, e recentemente ha segnato il suo decimo anniversario. È un potente osservatorio che ha fornito enormi quantità di dati sui raggi gamma (la forma di luce più energetica) e sulla loro interazione con la luce di fondo extragalattica (EBL), che è una nebbia cosmica composta da tutto l'ultravioletto, luce visibile e infrarossa emessa dalle stelle o dalla polvere nelle loro vicinanze. Ajello e il collega postdottorato Vaidehi Paliya hanno analizzato quasi nove anni di dati relativi ai segnali di raggi gamma da 739 blazar.

I blazar sono galassie contenenti buchi neri supermassicci in grado di rilasciare getti strettamente collimati di particelle energetiche che fuoriescono dalle loro galassie e attraversano il cosmo quasi alla velocità della luce. Quando uno di questi getti è puntato direttamente sulla Terra, è rilevabile anche se proveniente da molto lontano. I fotoni di raggi gamma prodotti all'interno dei getti alla fine si scontrano con la nebbia cosmica, lasciando un'impronta visibile. Ciò ha permesso al team di Ajello di misurare la densità della nebbia non solo in un dato luogo, ma anche in un dato momento della storia dell'universo.

"I fotoni di raggi gamma che viaggiano attraverso una nebbia di luce stellare hanno una grande probabilità di essere assorbiti, " disse Ajello, un assistente professore nel dipartimento di fisica e astronomia. "Misurando quanti fotoni sono stati assorbiti, siamo stati in grado di misurare quanto fosse fitta la nebbia e anche di misurare, in funzione del tempo, quanta luce c'era nell'intera gamma di lunghezze d'onda."

Usando sondaggi galattici, la storia della formazione stellare dell'universo è stata studiata per decenni. Ma un ostacolo affrontato dalla ricerca precedente era che alcune galassie erano troppo lontane, o troppo debole, per qualsiasi telescopio odierno da rilevare. Ciò ha costretto gli scienziati a stimare la luce stellare prodotta da queste lontane galassie piuttosto che registrarla direttamente.

Il team di Ajello è stato in grado di aggirare questo problema utilizzando i dati del Large Area Telescope di Fermi per analizzare la luce di fondo extragalattica. Luce delle stelle che sfugge alle galassie, compresi quelli più lontani, alla fine diventa parte della EBL. Perciò, misurazioni accurate di questa nebbia cosmica, che solo di recente sono diventate possibili, ha eliminato la necessità di stimare le emissioni di luce dalle galassie ultra-distanti.

Paliya ha eseguito l'analisi dei raggi gamma di tutti i 739 blazar, i cui buchi neri sono milioni o miliardi di volte più massicci del nostro sole.

"Utilizzando blazar a diverse distanze da noi, abbiamo misurato la luce totale delle stelle in diversi periodi di tempo, " ha detto Paliya del dipartimento di fisica e astronomia. "Abbiamo misurato la luce stellare totale di ogni epoca, un miliardo di anni fa, due miliardi di anni fa, sei miliardi di anni fa, ecc. - fino a quando le stelle si sono formate per la prima volta. Questo ci ha permesso di ricostruire l'EBL e determinare la storia della formazione stellare dell'universo in un modo più efficace di quanto non fosse stato raggiunto prima".

Quando i raggi gamma ad alta energia si scontrano con la luce visibile a bassa energia, si trasformano in coppie di elettroni e positroni. Secondo la Nasa, La capacità di Fermi di rilevare i raggi gamma attraverso un'ampia gamma di energie lo rende particolarmente adatto per la mappatura della nebbia cosmica. Queste interazioni tra particelle avvengono su immense distanze cosmiche, che ha permesso al gruppo di Ajello di sondare più in profondità che mai la produttività della formazione stellare dell'universo.

"Gli scienziati hanno cercato di misurare l'EBL per molto tempo. Tuttavia, primi piani molto luminosi come la luce zodiacale (che è luce diffusa dalla polvere nel sistema solare) hanno reso questa misurazione molto impegnativa, " ha detto il co-autore Abhishek Desai, un assistente di ricerca laureato nel dipartimento di fisica e astronomia. "La nostra tecnica è insensibile a qualsiasi primo piano e quindi ha superato queste difficoltà tutte in una volta".

Formazione di stelle, che si verifica quando regioni dense di nubi molecolari collassano e formano stelle, ha raggiunto il picco circa 11 miliardi di anni fa. Ma sebbene la nascita di nuove stelle da allora sia rallentata, non si è mai fermato. Ad esempio, ogni anno vengono create circa sette nuove stelle nella nostra galassia della Via Lattea.

Stabilire non solo l'attuale EBL, ma rivelare la sua evoluzione nella storia cosmica è un importante passo avanti in questo campo, secondo il membro del team Dieter Hartmann, professore al dipartimento di fisica e astronomia.

"La formazione stellare è un grande ciclo cosmico e riciclaggio di energia, materia e metalli. È il motore dell'universo, "Ha detto Hartmann. "Senza l'evoluzione delle stelle, non avremmo gli elementi fondamentali necessari per l'esistenza della vita."

Comprendere la formazione stellare ha anche ramificazioni per altre aree di studio astronomico, compresa la ricerca sulla polvere cosmica, evoluzione delle galassie e materia oscura. L'analisi del team fornirà alle future missioni una linea guida per esplorare i primi giorni dell'evoluzione stellare, come l'imminente James Webb Space Telescope, che sarà lanciato nel 2021 e consentirà agli scienziati di dare la caccia alla formazione di galassie primordiali.

"I primi miliardi di anni della storia del nostro universo sono un'epoca molto interessante che non è stata ancora sondata dagli attuali satelliti, Concluse Ajello. “La nostra misurazione ci permette di sbirciare al suo interno. Forse un giorno troveremo un modo per guardare indietro fino al Big Bang. Questo è il nostro obiettivo finale".