Este diagrama muestra las ubicaciones de 150 blazars (puntos verdes) utilizados en el nuevo telescopio Fermi Gamma-Ray. Crédito: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration
Toda la luz que ha producido cada estrella que ha existido todavía está ahí afuera, pero "verla" y medirla con precisión es extremadamente difícil. Ahora, los astrónomos que utilizan datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA pudieron observar blazares distantes para ayudar a medir la luz de fondo de todas las estrellas que ahora brillan. Esto permitió la medición más precisa de la luz estelar en todo el universo, lo que a su vez ayuda a establecer límites en el número total de estrellas que alguna vez han brillado.
"La luz óptica y ultravioleta de las estrellas continúa viajando por todo el universo incluso después de que las estrellas dejan de brillar, y esto crea un campo de radiación fósil que podemos explorar utilizando rayos gamma de fuentes distantes", dijo el científico principal Marco Ajello del Instituto Kavli para Partículas Astrofísicas y Cosmología en la Universidad de Stanford en California y el Laboratorio de Ciencias Espaciales de la Universidad de California en Berkeley.
Sus resultados también proporcionan una densidad estelar en el cosmos de aproximadamente 1.4 estrellas por 100 mil millones de años luz cúbicos, lo que significa que la distancia promedio entre las estrellas en el universo es de aproximadamente 4,150 años luz.
La suma total de luz estelar en el cosmos se llama luz de fondo extragaláctica (EBL), y Ajello y su equipo investigaron la EBL mediante el estudio de los rayos gamma de 150 blazars, que se encuentran entre los fenómenos más energéticos del universo. Son galaxias alimentadas por agujeros negros extremadamente enérgicos: tienen energías superiores a 3 mil millones de electronvoltios (GeV), o más de mil millones de veces la energía de la luz visible.
Los astrónomos utilizaron cuatro años de datos de Fermi en rayos gamma con energías superiores a los 10 mil millones de electronvoltios (GeV), y el instrumento del Telescopio de área grande (LAT) de Fermi es el primero en detectar más de 500 fuentes en este rango de energía.
Para los rayos gamma, el EBL funciona como una especie de niebla cósmica, pero Fermi midió la cantidad de absorción de rayos gamma en los espectros blazar producidos por la luz estelar visible y ultravioleta en tres épocas diferentes de la historia del universo.
Fermi midió la cantidad de absorción de rayos gamma en los espectros blazar producidos por la luz estelar visible y ultravioleta en tres épocas diferentes en la historia del universo. (Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA)
"Con más de mil detectados hasta el momento, los blazar son las fuentes más comunes detectadas por Fermi, pero los rayos gamma en estas energías son pocos y distantes entre sí, por lo que se necesitaron cuatro años de datos para hacer este análisis", dijo un miembro del equipo Justin Finke, astrofísico en el Laboratorio de Investigación Naval en Washington.
Los rayos gamma producidos en los aviones blazar viajan a través de miles de millones de años luz hasta la Tierra. Durante su viaje, los rayos gamma atraviesan una niebla creciente de luz visible y ultravioleta emitida por las estrellas que se formaron a lo largo de la historia del universo.
Ocasionalmente, un rayo gamma choca con la luz de las estrellas y se transforma en un par de partículas: un electrón y su contraparte de antimateria, un positrón. Una vez que esto ocurre, se pierde la luz de rayos gamma. En efecto, el proceso amortigua la señal de rayos gamma de la misma manera que la niebla atenúa un faro distante.
A partir de estudios de blazars cercanos, los científicos han determinado cuántos rayos gamma se deben emitir a diferentes energías. Los blazar más distantes muestran menos rayos gamma a energías más altas, especialmente por encima de 25 GeV, gracias a la absorción por la niebla cósmica.
Luego, los investigadores determinaron la atenuación promedio de los rayos gamma en tres rangos de distancia: el grupo más cercano era de cuando el universo tenía 11.2 años, un grupo intermedio de cuando el Universo tenía 8.600 millones de años, y el grupo más alejado de cuando el Universo tenía 4.1 mil millones de años.
Esta animación rastrea varios rayos gamma a través del espacio y el tiempo, desde su emisión en el chorro de un blazar distante hasta su llegada al Telescopio de gran área (LAT) de Fermi. Durante su viaje, la cantidad de fotones ultravioleta y ópticos (azul) que se mueven aleatoriamente aumenta a medida que nacen más y más estrellas en el universo. Finalmente, uno de los rayos gamma encuentra un fotón de luz estelar y el rayo gamma se transforma en un electrón y un positrón. El resto de los fotones de rayos gamma llegan a Fermi, interactúan con las placas de tungsteno en el LAT y producen los electrones y positrones cuyas rutas a través del detector permiten a los astrónomos rastrear los rayos gamma a su fuente.
A partir de esta medición, los científicos pudieron estimar el espesor de la niebla.
"Estos resultados le dan un límite superior e inferior de la cantidad de luz en el Universo y la cantidad de estrellas que se han formado", dijo Finke durante una conferencia de prensa hoy. "Las estimaciones anteriores solo han sido un límite superior".
Y los límites superior e inferior están muy cerca uno del otro, dijo Volker Bromm, astrónomo de la Universidad de Texas, Austin, quien comentó sobre los hallazgos. "El resultado de Fermi abre la posibilidad emocionante de restringir el primer período de formación de estrellas cósmicas, preparando así el escenario para el telescopio espacial James Webb de la NASA", dijo. "En términos simples, Fermi nos proporciona una imagen de sombra de las primeras estrellas, mientras que Webb las detectará directamente".
La medición de la luz de fondo extragaláctica fue uno de los principales objetivos de la misión para Fermi, y Ajello dijo que los hallazgos son cruciales para ayudar a responder una serie de grandes preguntas en cosmología.
El jueves se publicó un artículo que describe los hallazgos en Science Express.
Fuente: NASA
