Vísindamenn endurskapa sögu stjörnumyndunar í alheiminum

Hefurðu einhvern tíma horft upp í stjörnubjartan himingeiminn og velt fyrir því þér hversu mikið ljós býr í stjörnum alheimsins? Það hefur stór alþjóðlegur hópur vísindamanna gert og honum hefur tekist að mæla alla samanlagða stjörnubirtu alheimsins og endurskapað gang stjörnumyndunnar yfir tímabil sem nær yfir 90% af sögu alheimsins. Grein um niðurstöður hópsins birtist í nýjasta hefti hins virta vísindatímarits Science sem kemur út á morgun en meðal helstu forsprakka rannsóknarinnar er Kári Helgason, stjarneðlisfræðingur við Raunvísindastofnun Háskólans.

Vísindamenn telja alheiminn um 13,7 milljarða ára gamlan og að stjörnur hafi byrjað að myndast „aðeins“ nokkrum milljónum árum eftir Miklahvell. Stjörnur alheimsins mynda risastór kerfi sem nefnast vetrarbrautir sem jafnframt eru stærstu sýnilegu einingar heimsins. Ljós frá vetrarbrautunum hefur jafnt og þétt safnast fyrir í geimnum og myndar nú eins konar alheimsþoku sem hefur að geyma allt útfjólublátt, innrautt og sjáanlegt ljós sem borist hefur frá stjörnum frá upphafi alheimsins, þar á meðal frá stjörnum sem brunnið hafa út fyrir langalöngu. Bakgrunnsljós vetrarbrautanna (e. extragalactic bakground light – EBL) hefur því að geyma upplýsingar um sögu stjörnumyndunar alheimsins.

Vísindahópurinn beitti nýstárlegum aðferðum til að mæla bakgrunnsljósið með aðstoð gagna sem aflað var með Fermi-gammageislasjónauka NASA sem skotið var í út í geim fyrir um tíu árum. Gammageislarnir eru svo orkuríkir að á ferð sinni um geiminn geta þeir rekist á ljóseind úr bakgrunnsljósinu og myndað efni úr orkunni, samkvæmt hinni frægu jöfnu Einsteins E=mc2, eina rafeind og eina jáeind. Þessi árekstur dregur úr styrk gammageislans, ekki ósvipað og þoka minnkar drægni bílljóss. Vísindamönnunum tókst að rýna nánar í dofnunina og draga um leið upp skýrari mynd og nánari mælingar á bakgrunnsljósi vetrarbrautanna.

Aðalhöfundur greinarinnar, Marco Ajello, stjarneðlisfræðingur við Clemson-háskóla í Kaliforníu í Bandaríkjunum, og nýdoktor í rannsóknarhópi hans, Vaidehi Paliy, rýndu í gögn um gammageisla frá nærri 740 risasvartholum sem mörg hver eru í órafjarlægð frá jörðinni. Kári Helgason, sem hefur sérhæft sig í mælingum og líkanagerð á bakgrunnsljósi vetrarbrautanna, sá um að reikna heildarmagn bakgrunnsljóss á mismunandi tímaskeiðum alheimsins, nánast alla leið aftur til upphafs alheimsins. Það hefur ekki tekist áður.

Birtan úr bakgrunnsljósi á við 60 W peru í 4 km fjarlægð

En hversu mikið ljós mældu vísindamennirnir? Sjáanlegt ljós er jafnan mælt í ljóseindum og samkvæmt útreikningum hópsins hafa allar stjörnur hins sýnilega alheims samanlagt sent frá sér 4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 ljóseindir (4×1084) síðustu þrettán milljarða ára. Nánast allar þessar ljóseindir eru ennþá til staðar, sveimandi um geiminn allt í kringum okkur. Þrátt fyrir þennan fjölda er bakgrunnsljósið útþynnt í okkar gríðarstóra alheimi sem þenst sífellt út. Birtan frá bakgrunnsljósinu samsvarar aðeins einni 60 Watta ljósaperu séð úr fjögurra kílómetra fjarlægð, dreift yfir allan himininn. Þess vegna virðist okkur sem dimmt sé á nóttunni.

Enn þann dag í dag eru að myndast nýjar stjörnur í alheiminum og til dæmis verða til sjö nýjar stjörnur í Vetrarbrautinni okkar á hverju ári. Út frá útreikningum sínum á bakgrunnsljósinu tókst vísindahópnum að endurskapa sögu stjörnumyndunar yfir tímabil sem nær yfir 90% af sögu alheimsins. Niðurstöðurnar benda til þess að stjörnumyndun hafi náð hámarki fyrir um tíu milljörðum ára en síðan þá farið minnkandi, sem er í góðu samræmi við mælingar með hefðbundnari aðferðum. Þessu mætti líkja við ef mannfræðingar fengju upp í hendurnar nákvæm gögn um fæðingartíðni mannkyns frá steinöld til dagsins í dag.

Teymið sem leiddi rannóknina samanstóð af alþjóðlegum hópi vísindamanna frá Bandaríkjunum (Marco Ajello og Vaidehi Paliy, Clemson-háskóla; Justin Finke, Naval Research Laboratory), Íslandi (Kári Helgason, Háskóla Íslands) og Spáni (Alberto Dominguez, Compluten-háskólinum í Madrid). Alls koma þó um 130 vísindamenn frá virstustu rannsóknarstofnunum heims á sviði stjarneðlisfræði að greinni í Science, sem ber titilinn “A gamma-ray determination of the Universe’s star-formation history”. Þess má geta að auk Kára er Guðlaugur Jóhannesson, fræðimaður við Raunvísindastofnun Háskólans, meðal höfunda greinarinnar. Guðlaugur hefur verið virkur í Fermi-samstarfi NASA frá upphafi og gegnir nú stöðu aðstoðarumsjónarmanns greininga í verkefninu, en hann tekur þátt í því með stuðningi frá Rannís.

En hvaða þýðingu hafa niðurstöðurnar?

„Þessar niðurstöður sýna að fyrri hugmyndir okkar um stjörnumyndun í alheiminum voru á réttri leið. Okkar aðferð er næm fyrir mun meiri stjörnumyndun en mælst hefur í hefðbundinni talningu vetrarbrauta og niðurstöður okkar smellpassa við fyrri mælingar. Þegar tvær mjög ólíkar aðferðir leiða sama svar í ljós þá vitum við að við erum á réttri braut,“ segir Kári Helgason.

„Enn fremur tókst okkur að setja skorður á fjölda ljóseinda sem voru til í árdaga alheimsins, þegar fyrstu vetrarbrautirnar voru að myndast skömmu eftir Miklahvell. Það gefur til kynna að nýi geimsjónauki NASA, James Webb Space Telescope sem skotið verður á loft 2021, muni líkast til ekki finna jafnmargar daufar vetrarbrautir frá þessu mikilvæga tímabili og búist var við.“

Um Kára Helgason

Kári Helgason lauk BS-prófi í eðlisfræði frá Háskóla Íslands árið 2008 og hélt þá út til framhaldsnáms við University of Maryland í Bandaríkjunum og vann doktorsverkefni sitt í NASA Goddard Space Flight Center. Hann lauk doktorsprófi árið 2014 og starfaði þvínæst í fjögur ár við Max Planck stofnunina í stjarneðlisfræði í Þýskalandi áður en hann sneri aftur heim til starfa við Raunvísindastofnun Háskóla Íslands fyrr á þessu ári.

Athugasemdir

athugasemdir