Naukowcy policzyli wszystkie fotony we Wszechświecie
Biorąc pod uwagę, że wszystko zaczęło się od osobliwości, nie powinno być zaskoczeniem, że liczba fotonów wyprodukowanych przez Wszechświat od samego początku jego istnienia jest skończona. Ale znacznie bardziej zaskakujące jest to, że zespół astrofizyków zdołał je policzyć.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Science” (Vol. 362, Issue 6418, 30 November 2018), naukowcy pracujący pod kierunkiem Marco Ajello z Clemson College of Science w Południowej Karolinie (USA) podali, że całkowita liczba fotonów wyprodukowanych w ciągu 13,7 miliarda lat od Wielkiego Wybuchu wynosi 4×1084. Innymi słowy, jest to 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 fotonów. Aby obliczyć tę liczbę Ajello i jego koledzy wykorzystali dane z Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), czyli kosmicznego obserwatorium promieniowania gamma będącego wspólnym przedsięwzięciem NASA, Departamentu Energii USA oraz agencji rządowych z Francji, Niemiec, Włoch, Japonii i Szwecji. Obserwatorium znajduje się na kołowej orbicie okołoziemskiej na wysokości ok. 550 km.
Teleskop mierzy promieniowanie gamma i ich interakcję z kosmicznym mgłą międzygwiezdnego pyłu i całym promieniowaniem ultrafioletowym, widzialnym i podczerwonym emitowanym przez gwiazdy. Szczególnie interesujące dla naukowców były sygnały promieniowania gamma z 739 galaktyk zawierających supermasywne czarne dziury, znane jako blazary. Mierząc poziomy promieni gamma fotonów zawartych w ultraszybkich strumieniach wytwarzanych przez blazary, można oszacować nie tylko gęstość otaczającej kosmicznej mgły w danym miejscu, ale także obliczyć ją w dowolnym momencie w historii Wszechświata.
– Fotony gamma podróżujące przez mgłę gwiezdną mają duże prawdopodobieństwo, że zostaną wchłonięte – wyjaśnia Ajello. – Mierząc, ile fotonów zostało zaabsorbowanych, byliśmy w stanie zmierzyć gęstość mgły i zmierzyć, w funkcji czasu, ile światła było w całym zakresie długości fal.
Ten zakres, nieobejmujący promieni gamma, jest znany jako pozagalaktyczne światło tła (EBL) i do niedawna jego gęstość można oszacować w przybliżeniu. Dzięki GLAST obliczenia są teraz znacznie bardziej precyzyjne.
– Używając blazarów w różnych odległościach od nas, zmierzyliśmy całkowite światło gwiazd w różnych okresach – mówi współautor artykułu Vaidehi Paliya. – Mierzyliśmy całkowite światło gwiazd każdej epoki: miliard lat temu, dwa miliardy lat temu, sześć miliardów lat temu i tak dalej – aż do momentu, w którym powstały pierwsze gwiazdy. To pozwoliło nam na rekonstrukcję EBL i ustalenie historii gwiazdotwórczej Wszechświata w bardziej skuteczny sposób niż wcześniej.
Rezultat nie tylko dostarczył jak dotąd najdokładniejsze oszacowanie EBL, ale także ujawnił swoją kosmiczną historię w niespotykanych szczegółach. Współautor artykułu, Dieter Hartmann, nazywa to przełomem w tej dziedzinie.
– Formowanie się gwiazd to wielki kosmiczny cykl i recykling energii, materii i metali – mówi. – To motor Wszechświata. Bez ewolucji gwiazd nie mielibyśmy podstawowych elementów niezbędnych do istnienia życia.
Inną kwestią, która wynika z badania jest to, że pomimo niesamowicie dużej liczby fotonów wyprodukowanych od początku, Wszechświat jest, relatywnie rzecz biorąc, raczej słabo oświetlonym miejscem. Ajello i jego współpracownicy obliczyli, że gdyby Słońce i reszta Drogi Mlecznej można było „wyłączyć”, to ilość światła docierającego do Ziemi z całej reszty kosmosu jest równa ilości wytwarzanej przez 60 watową żarówkę widzianą z odległości około czterech kilometrów.
Opracowano na podstawie:
How many photons in the universe? Go on, have a guess
