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科学家第一次测量了宇宙中的全部星光,并证实了一个令人不安的结论…

2018.12.03

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4×1084,这个巨大的数字实际上是宇宙历史中所有恒星发出的光子的总数4×1084是个什么样的概念?如果我们的太阳(只剩下几十亿年的寿命)能够继续燃烧1000万亿年,那么它所能释放出的光子总数大约是这个数字。


科学家是如何得知这个数字的?


我们知道,自热大爆炸以来,宇宙已经持续不断地膨胀了138亿年。从任何方向看,我们视野所及的最遥远距离为461亿光年,在这个范围内有大约2万亿个星系。每个星系平均包含了数千亿颗恒星,每颗恒星大约由1057个原子组成。


大部分恒星诞生于分子云,新形成的恒星所辐射出的星光会穿梭在宇宙之中,与它们遇到的所有原子相互作用。而最有趣的是,星光有可能与能量最高的光子——伽马射线相互作用,从而产生新的粒子:电子-正电子对(正电子是电子的反粒子)。这对那些运用太空伽玛射线望远镜进行研究的科学家来说尤为有趣。



 左边显示的是纯能量(黄色波浪线)可以产生物质-反物质对,右边显示的过程则完全相反——物质-反物质会湮灭变成纯能量。| 图片来源:DMITRI POGOSYAN / UNIVERSITY OF ALBERTA


在宇宙中,一些星系中央拥有活跃的超大质量黑洞,它们是非常好的极高能粒子(包括伽马射线)发射体。超大质量黑洞的周围会形成一个由气体、尘埃等组成的吸积盘。当盘中的物质落入黑洞时,引力能会转化为光,使这些星系的中心非常明亮。在某些情况下,落入的带电粒子会被磁场加速,形成以接近光速运动的相对论性喷流(如下图)。当一个星系产生的喷流正好指向地球时,它最明亮,因此也被称为耀变体



 耀变体会加速质子,从而产生π介子;π介子会进一步产生中微子和伽玛射线。| 图片来源:ICECUBE/NASA


然而,无论何时,当你观察遥远宇宙中的任何物体时,视线所经之处都有物质存在。气体云的存在会吸收一部分的光,我们可以通过分析吸收线来计算这部分的光。星系和星系团经常会干扰信号;我们可以测量它们的亮度、密度和其他属性,以校准我们所研究的每一个耀变体。此外,耀变体散布在宇宙之中,来自太阳系的黄道效应和来自银河系的前景效应都会影响我们所看到的耀变体。而每一个耀变体都有着本质上独一无二的能量和通量特性。


通过确定从耀变体到地球之间都存在哪些东西,我们就可以确定被研究的耀变体的源属性,从而也就有了一个校准良好的工作起点。


这也提供了一种方法,可以使用伽玛射线望远镜来测量宇宙中所有的星光。我们可以这样做:

  • 首先,测量宇宙中所有被发现的耀变体。

  • 然后,测量每个耀变体的红移,这样就可以知道它距离地球有多远。

  • 接着,测量伽玛射线望远镜接收到的伽玛射线的数量,将其作为红移和耀变体亮度的函数。

  • 最后,如前所述,当伽玛射线与银河系外的背景星光碰撞时,会产生电子-正电子对。利用所有这些信息,就可以计算出必须存在多少的背景星光,才能解释损失掉的伽玛射线


有了这些信息,费米-LAT合作项目(LAT是费米上的大区域望远镜仪器)研究了739个耀变体。在这些耀变体中,距离我们最近的也有2亿光年之远,而最远的距离我们116亿光年——这意味着从耀变体出发的光,经过了116亿年才能抵达地球,而那时宇宙的年龄只有22亿年。


他们的发现证实了之前的结果,并且提高了精度:大约100亿年前,宇宙中的恒星形成率就达到了峰值,此后一直在下降(如下图)。今天,恒星形成率只有早期最大形成率的3%,而宇宙形成新恒星的速率还在继续下降。换句话说,宇宙正在消亡,而我们却无能为力。



 

 耀变体会加速质子,从而产生π介子;π介子会进一步产生中微子和伽玛射线。| 图片来源:MARCO AJELLO AND THE FERMI-LAT COLLABORATION

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