Záhada gama-paprskové záře vesmíru vyřešena

Stálá záře vysokoenergetického světla gama, která se šíří vesmírem, mátla astronomy po celá desetiletí. Jeden tým výzkumníků si myslí, že má zatím nejlepší vysvětlení pro zdroj této podivné emise.

Po šestiletém pozorování vesmíru Fermiho kosmickým dalekohledem NASA s gama paprsky vědci s misí tvrdí, že většinu gama záření, které viděli, lze vysvětlit objekty, které jsou již vědě známé. Pokud existují nějaké dosud neznámé zdroje, jejich příspěvek k záři by byl velmi malý, říkají vědci.

"Máme velmi věrohodný příběh. Nejsme si stoprocentně jisti, že toto je konečná odpověď, ale skutečně omezuje, jaké další exotické možnosti by tam mohly být," řekl Keith Bechtol, postdoktorandský výzkumník na Chicagské univerzitě. člen Fermiho spolupráce, který pracoval na analýze.

Fermi: gama paprsek guma

Vesmírný teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope pořizuje snímky celého pozorovatelného vesmíru - od konce do konce - v gama záření, což jsou některé z fotonů s nejvyšší energií v přírodě.

I když je tento široký pohled na vesmír užitečný, může být obtížné určit přesné zdroje těchto gama záření. Místo toho Fermi vidí rozptýlenou záři přicházející z vesmíru. Tato záře je technicky známá jako extragalaktické gama pozadí nebo EGB. Předchozí gama dalekohledy také viděly toto světlo, které vyplňuje pozadí kosmu.

"O tomto pozadí gama záření víme od konce 60. let," řekl Bechtol. "Je to velmi dlouhotrvající záhada a každá generace gama dalekohledů nám poskytla trochu více informací."

S pomocí jiných dalekohledů dokáže Fermiho dalekohled identifikovat, odkud pochází část tohoto vysoce energetického pozadí. Existují například velmi energetické galaxie zvané blazary, které vydávají vysoký tok gama záření. Experimentální teleskop EGRET (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope), který předcházel Fermimu, překonal rekordy tím, že detekoval asi 300 zdrojů gama záření. Fermiho dalekohled zatím identifikoval více než 3 000 zdrojů.

Ale 3 000 je jen kapka v moři zdrojů gama záření v celém vesmíru, říkají vědci.

"Myslíme si, že každá galaxie produkuje gama záření na určité úrovni," řekl Bechtol. "Velká většina je příliš slabá na to, aby byla viděna jednotlivě, a místo toho je jejich společné vyzařování rozmazané." (Mnoho galaxií vyzařuje vysoké úrovně optického světla a lze je vidět dalekohledy, jako je Hubbleův teleskop. Ale jejich emise gama záření je příliš slabá na to, aby byla detekována.)

"Je frustrující neznat odpověď, ale skutečnost, že existuje záhada - myslím, že to je to, co přitahuje mnoho z nás k tomuto problému," řekl Bechtol. "Alespoň pro mě se mi líbí být na okraji toho objevovacího prostoru, kde jsou na mapě stále prázdné části."

Rozluštění záhady

Fermiho dalekohled nevidí většinu objektů, které vyzařují gama světlo, takže se vědci musí pokusit odhadnout, kolik objektů gama záření tam je.

V analýze, která byla poprvé zveřejněna v září 2014, členové Fermiho spolupráce vzali známé zdroje gama záření a přidali je spolu s modely, které předpovídaly frekvenci a umístění neviditelných zdrojů. Vědci vypočítali, kolik gama světla by detekované i modelované zdroje společně vyprodukovaly.

Tento vypočítaný výstup gama paprsků se těsně shoduje se skutečným pozadím gama paprsků, které Fermi pozoruje – s celým EGB.

Konečný odhad ukazuje, že zhruba 50 procent gama pozadí pochází z extrémně energetických galaxií známých jako blazary. Deset až 30 procent pozadí gama záření pochází z hvězdotvorných galaxií, jako je Mléčná dráha, které mohou společně obsahovat mnoho menších zdrojů gama záření, jako jsou supernovy. Dalších 20 procent pochází z rádiových galaxií, které jsou blazary, ale jsou namířeny směrem od Země, a proto je Fermi nemůže tak snadno vidět.

"Určitě by tam mohly být nové zdroje gama záření," řekl Bechtol. "Jen jejich celkový příspěvek by musel být relativně malý."

Je také možné, že temná hmota – tajemný materiál, který tvoří 80 procent veškeré hmoty ve vesmíru – produkuje gama záření a Fermiho výsledky mohou vědcům pomoci zjistit, jaký druh částice (nebo částic) tvoří temnou hmotu..

Ve Fermiho odhadu zůstávají dvě velké nejistoty. Za prvé je obtížné měřit gama záři vesmíru, a Bechtol řekl, že on a jeho spolupracovníci věnovali spoustu času vylepšení tohoto měření.

Za druhé, vědci provádějí odhady objektů, které nemohou přímo pozorovat, z nichž většina se nachází za galaxií Mléčná dráha (nebo mimogalaktickou).

"Když bylo poprvé objeveno pozadí gama záření, bylo do značné míry záhadou, co ho vytvořilo," řekl Bechtol. "A teď se zdá, že všechno do sebe velmi dobře zapadá. Právě teď se zdá, že nejjednodušší vysvětlení zahrnující známé astrofyzikální zdroje funguje dobře."

Světlo ze zpět v čase

Fermiho úspěch při dekódování pozadí gama záření do značné míry závisel na jeho zvýšené citlivosti na gama záření a jeho detekci více zdrojů gama záření než u předchozích dalekohledů. Kromě toho vědci z Fermi pracovali na tom, aby lépe porozuměli tomu, jak se emise gama záření měnily v průběhu historie vesmíru. To je cenné, protože když se Fermi dívá na zdroje gama záření, dívá se vlastně do minulosti.

Světlo se šíří konečnou rychlostí – světlu ze Slunce trvá 8 minut, než dorazí na Zemi, což znamená, že lidé ve skutečnosti vidí Slunce tak, jak bylo před 8 minutami. Ze stejné logiky Fermi vidí objekty, které jsou od Země vzdálené miliardy světelných let, jako před miliardami let.

"Doslova měříme světelný výkon v průběhu historie vesmíru a to je pro mě to, co to dělá vzrušujícím," řekl Bechtol. "Vidíme všechna různá časová období ve vesmíru ve stejnou dobu. Všechno světlo ze všech těchto různých období se sčítá a tvoří pozadí gama záření."

Historická perspektiva je pro Fermiho velký rozdíl, protože kosmický výstup gama záření byl pravděpodobně v různých časech během posledních 13 miliard let odlišný. Vesmír například zažil období, kdy populace blazarů explodovala, a jindy, kdy se růst populace zpomalil. Potřebují také přesně pochopit, jak daleko jsou tyto blazary, aby mohli přesně změřit, jak dávno tyto jasné zdroje shořely.

Vědci z Fermiho vyřešili dlouhodobou hádanku, ale Bechtol řekl, že ve vesmíru gama záření jsou ještě další záhady. Existují další gama dalekohledy, které dokážou detekovat ještě vyšší energetické gama záření než Fermi, a je možné, že v těchto energetických rozsazích jsou zdroje gama záření, o kterých vědci zatím nevědí.

"Myslíme si, že se to přibližuje ke konečné odpovědi, ale historie nám ukázala, že někdy je v příběhu víc," řekl Bechtol. "Určitě si myslím, že když se začneme dívat na vyšší energie […], začnou se objevovat nějaká překvapení."