宇宙灯打开的时候——测量大爆炸以来的光子总量

  • 何幸
  • 日期:2018-12-29
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       仰望夜空,闪烁的星光引人深思---光从哪里来?

       随着科技的进步,我们已经能拂去神学的面纱,从科学的角度回答这个问题:大爆炸之后,随着宇宙的扩张冷却,产生了各种基本粒子。随后,宇宙陷入一片黑暗。慢慢地,弥漫在宇宙中的物质开始在引力的作用下收缩。物质密度较大的地方,密度和质量会进一步变大。质量超过一定的界限后,这些物质团块,便会开始核聚变。核聚变会发光发热。宇宙从此开始变得充满光明。

       然而,科学家并不满足于此--大爆炸以来,到底产生了多少光?

       根据科学家们的估计,从大爆炸以来,已经产生了上万亿个星系,上万亿万亿的恒星,以及无数的光子。遗憾的是,宇宙空间极为浩大,这些光都非常暗淡,在地球上看来,大约相当于一个4公里以外的60瓦灯泡亮度。另外,黄道光和银河系自身的光也会产生干扰,从而无法直接观测宇宙中光子的数量。

Marco·Ajello (right)

        就在今年的11月30日,克莱姆森科学大学天体物理学家Marco Ajello及其团队宣布,他们已经测量出了大爆炸以来宇宙产生的可见光总量!

     另辟蹊径,Agello的团队使用了伽玛射线光子来间接地量化星光。伽玛射线光子能量是可见光的10亿倍,当它们穿过太空时,会与恒星产生的光子相互作用而被吸收;星光越多,吸收也就越多;所以可以通过伽玛射线被吸收的比率来算出我们和伽玛射线源之间的星光密度,进而算出宇宙的光子总量。研究人员利用美国宇航局(NASA)费米伽马射线太空望远镜9年的观测数据,分析了宇宙中739个强伽玛射线源——耀变体发出的光。

居功至伟的费米伽玛射线空间望远镜 (Fermi Gamma-ray Space Telescope)

--A blazar galaxy contains a super-massive black hole with a mass that is millions to billions of times larger than our sun.

     测定了它们被河外星系背景光吸收的比率,并消除其它光源的干扰之后,科学家们得到了整个宇宙中光子的密度。这些耀变体离地球的距离从数亿,到数十亿,到上百亿光年不等,研究人员可以通过它们测量宇宙不同年代的光子密度,从而重建了整个宇宙时期河外背景光的光子密度。但是,测算这个光子密度可是花了科学家们整整3年的时间!

河外背景光(EBL),又称“宇宙雾”,由恒星发出的紫外、可见光、以及红外等波长的所有光所组成。当伽马射线(能量最强的一种光)通过“宇宙雾”时,会与其它波长的光子碰撞,产生电子和正电子。

耀变体(Blazars)是包含超大质量黑洞的星系,这些黑洞能够以接近光速的速度释放出狭窄的高能粒子喷流。

     首席研究员 Marco Ajello :“在星雾中穿行的伽马射线光子很有可能被吸收,通过测量吸收了多少光子,我们可以测量雾的厚度,并推测整个波长范围内的光量。”

九年费米数据编制的宇宙地图展示了可观测宇宙的伽马射线源

       这些粒子可以被地球上的望远镜探测到,不管它们离我们有多远。

       射流中产生的伽马射线光子最终会与宇宙迷雾相撞,留下可观察到的印记。

       这使得Agello博士的团队不仅能够测量出特定地点的雾密度,而且能够测量出宇宙历史上特定时间的雾密度。

       用这个密度乘以宇宙的体积,他们得到了整个宇宙中的光子总数: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。

       没错,4的后面有84个零---宇宙中有4x10^84个光子!要知道,宇宙中所有粒子的总数即使在折合成氢原子之后,也只有大约10^80个!

       物理与天文学系的Paliya博士:“通过使用距离我们不同的耀变体,我们测量了不同时期的总星光。”

       “我们测量了每个时代的总星光——10亿年前、20亿年前、60亿年前等等——一直追溯到恒星最初形成的时候。”

       那么,测量大爆炸以来产生的光子总量又有何意义呢?

       Agello :“根据费米望远镜收集的数据,我们能够测量出发射的全部星光。这是以前从未做过的。”“这些光的大部分是由生活在星系中的恒星发出的。因此,这使我们能够更好地理解恒星演化过程,并获得宇宙如何产生其发光含量的迷人见解。”

       这项研究能够确定宇宙在 100~110 亿年前的恒星形成巅峰期的状况。

NGC 362 一个100~110亿年历史的星群 来自宇宙恒星形成的高峰期

       团队表示,新伽马射线地图为未来更深入的太空/时间探索任务(比如詹姆斯韦伯太空望远镜)奠定了基础。

       宇宙历史的第 10 亿个年头,是一个相当有趣的时代。而人类对这个时代的探测似乎还是一片空白。或许,追逐着这迷人的点点星光,我们就能重现混沌初开时的美丽篇章。

 

 

 

 

文字:崔可宁、唐宇菲

图片:崔可宁、唐宇菲

编辑:甘季鑫