Что создало больше света: Большой взрыв или звезды?

Вселенная создавала звезды на протяжении почти всех 13,8 миллиардов лет своей истории. Но эти фотоны не могут сравниться со светом Большого взрыва.

Хотя иногда может казаться, что время течет медленно, важно помнить, что наша Вселенная существует уже очень давно. Прошло 13,8 миллиардов лет с момента горячего Большого взрыва, и за это время наш космос претерпел значительные изменения. На данный момент наше космическое видение простирается на 46,1 миллиардов световых лет во всех направлениях, открывая нам от 6 до 20 триллионов галактик. В типичных крупных галактиках в среднем содержится сотни миллиардов звезд; хотя большинство галактик малы и имеют небольшую массу, в сумме это все равно дает около 2 × 10²¹ звезд.

Внутри каждой звезды в среднем находится около 10⁵⁷ атомов. Во Вселенной произошло много событий, но большинство из них, включая формирование большинства звезд, относится к нашему космическому прошлому, а не к настоящему или будущему. Фактически, мы можем восстановить всю историю звездообразования во Вселенной различными методами, в том числе путем исследования звезд и галактик, обнаруженных в разные эпохи на протяжении всей космической истории.

Важным доказательством, подтверждающим эти оценки, стали данные гамма-телескопа Ферми, который в 2018 году впервые измерил историю звездообразования во всей Вселенной на протяжении всего космического времени.

Удивительно, но этот тип измерений также позволяет нам ответить на давний вопрос: что создало больше света – Большой взрыв или совокупность звезд, образовавшихся за всю космическую историю? Ответ – Большой взрыв, и это удивительно поучительная история о том, как мы это узнали.

Когда формируются звезды, происходит ряд важных последовательных процессов:

Молекулярное облако исходного материала, в основном водорода, сжимается под действием собственной гравитации.
Во время сжатия облако фрагментируется, быстро порождая звездные системы и скопления звезд. Рождение звезды официально совпадает с началом ядерного синтеза в ее ядре.
Затем, когда от этих новорожденных звезд исходит много высокоэнергетического (т.е. ультрафиолетового) излучения, молекулы, оставшиеся в окружающем облаке, ионизируются этим энергичным излучением, что приводит к отрыву электронов от атомов.
Как только окружающая околозвездная среда ионизируется, начинает появляться особый тип излучения: эмиссионные линии, возникающие, когда электроны возвращаются на ионизированные атомные ядра и каскадом спускаются по различным энергетическим уровням.
Затем этот звездный свет путешествует по Вселенной, в том числе через межгалактическое пространство, где он взаимодействует со всеми встречающимися атомами, что приводит к появлению дополнительных абсорбционных сигнатур, наложенных на этот свет.
И, наконец, у этого звездного света есть конечная, ненулевая вероятность взаимодействия с гамма-лучами, которые являются фотонами с самой высокой энергией, для производства определенного вида новых частиц: электрон-позитронных пар.

Это не единственный набор происходящих событий, но он приводит к тому, что звездный свет косвенно может в конечном итоге привести к образованию электрон-позитронных пар.

Этот последний пункт представляет особый интерес для тех, кто работает с космическими гамма-телескопами, потому что когда позитроны движутся в пространстве, они в конечном итоге сталкиваются с электронами и аннигилируют. При этом они производят фотоны с очень специфической энергией 511 кэВ, что является характерным гамма-сигналом их присутствия. Однако позитроны – не единственный источник гамма-лучей во Вселенной, и это создает проблему для астрономов-наблюдателей, работающих с высокоэнергетическими сигнатурами. Например, во Вселенной есть классы объектов – такие как активные сверхмассивные черные дыры – которые являются очень хорошими излучателями чрезвычайно энергичных частиц, включая гамма-лучи.

С огромными горизонтами событий и большими массивными аккреционными дисками, окружающими их и падающими на них во время “кормления”, материя вокруг сверхмассивных черных дыр, заряженные частицы, создают огромные магнитные поля при вращении. Эти магнитные поля ускоряют заряженные частицы, заставляя их взаимодействовать и излучать радиацию чрезвычайно высоких энергий. Самые яркие из них, с точки зрения нашего наблюдения с Земли, – это те, чьи релятивистские струи направлены прямо на нас. Такие объекты известны как блазары, потому что они “пылают” прямо в направлении нашего взгляда.

Какое отношение имеют блазары к пониманию общего количества звездного света, накопительно произведенного во Вселенной за все время?

Потерпите, мы к этому придем. От блазаров исходит множество интересных сигнатур, но чтобы достичь наших глаз (или инструментов), эти сигналы также должны преодолеть промежуточную материю на своем пути. Когда вы смотрите на что-либо в далекой Вселенной, нужно учитывать, что существуют газовые облака, поглощающие часть света; мы можем учесть их, исследуя линии поглощения. Также часто на пути встречаются галактики и скопления галактик; мы можем измерить их яркость, плотность и другие свойства, чтобы откалибровать каждый отдельный исследуемый блазар.

Блазары расположены по всему небу, где на то, что мы видим, могут влиять зодиакальные эффекты от Солнечной системы и эффекты переднего плана от Млечного Пути. И каждый отдельный блазар в источнике будет иметь свойства энергии и потока, которые внутренне уникальны для него.

Проведя надлежащий учет того, что существует во Вселенной – в источнике, на линии прямой видимости и в точке, где мы в конечном итоге получаем свет – мы можем определить свойства источника исследуемого блазара. Это большая работа, но в конце концов награда стоит того: у нас будет хорошо откалиброванная отправная точка для работы.

Теперь, наконец, мы можем использовать тот факт, что у нас есть не просто гамма-телескоп, а гамма-телескоп (Ферми) с полным охватом неба. Теперь есть метод измерения всего звездного света во Вселенной, собранного воедино. Вот как это сделать:

Во-первых, начните с измерения и идентификации всех блазаров по всей Вселенной, везде, где их можно найти.
Затем измерьте красное смещение каждого блазара, которое можно узнать, измерив по крайней мере одну линию поглощения или излучения внутри него, чтобы у вас был хороший показатель расстояния, на котором он находится от вас.
Как только у вас есть эта информация, в игру вступят гамма-лучи: вы измеряете количество гамма-лучей, полученных вашим гамма-телескопом, в зависимости от двух ключевых свойств каждого блазара – его красного смещения и яркости.
Помните, что гамма-лучи, когда они сталкиваются с совокупным количеством внегалактического фонового звездного света, имеют определенную (зависящую от звездного света) вероятность производства электрон-позитронных пар.
И затем, наконец, вместо того чтобы искать характерный энергетический сигнал аннигиляции электрон-позитронных пар, тот сигнал 511 кэВ (смещенный в красную сторону из-за расширения Вселенной к тому времени, когда его видит Ферми), вместо этого используйте дефицит гамма-лучей от источника (потому что гамма-лучи преобразуются в электрон-позитронные пары), чтобы рассчитать, сколько фонового звездного света должно присутствовать, в зависимости от красного смещения/расстояния, чтобы объяснить потерю гамма-лучей.

Это невероятно мощный метод, потому что он позволяет нам измерить не только общее количество звездного света, когда-либо произведенного во Вселенной, но и то, как оно менялось со временем на протяжении истории Вселенной. Когда мы делаем это, мы обнаруживаем, что звездообразование достигло пика примерно 3,5 миллиарда лет назад, когда Вселенной было около 10 миллиардов лет, и с тех пор постепенно снижалось.

Однако одна вещь, которую мы также можем сделать, это измерить общее количество света, произведенного звездами за всю историю Вселенной. Это довольно большое число, но оно все же конечное. Когда мы складываем все вместе, мы получаем, что общее количество света, произведенного звездами, составляет примерно 4 × 10⁸⁴ фотонов.

Это огромное число. Но оно все же меньше, чем количество фотонов, созданных Большим взрывом. Когда мы измеряем реликтовое излучение сегодня – остаточное свечение от Большого взрыва – мы обнаруживаем, что в каждом кубическом сантиметре пространства находится около 411 фотонов, оставшихся от Большого взрыва. Умножьте это на объем наблюдаемой Вселенной, и вы получите около 10⁹⁰ фотонов, что примерно в 100 000 раз больше, чем все фотоны, когда-либо произведенные звездами.

Большой взрыв действительно был самым ярким событием в истории Вселенной, и ничто с тех пор даже близко не приблизилось к нему. Хотя звезды, несомненно, произвели невообразимое количество света за миллиарды лет, это все еще лишь капля в космическом море по сравнению с первоначальным сиянием нашей Вселенной.