Íslenskur vísindamaður mældi allt ljós alheimsins með hjálp risasvarthola

Birta allra stjarna sem skinið hafa í sögu alheimsins var mæld með hjálp hundruð risasvarthola í nýrri rannsókn alþjóðlegs hóps stjörnufræðinga. Kári Helgason, einn aðalhöfunda rannsóknarinnar, náði að endurskapa sögu stjörnumyndunar allt frá árdögum alheimsins með gögnunum sem þannig fengust.

Stjörnur og vetrarbrautir hafa logað í alheiminum í rúma þrettán milljarða ára. Þrátt fyrir að stjörnurnar séu margar löngu kulnaðar eða sprungnar lifir birta þeirra enn í svonefndu bakgrunnsljósi alheimsins. Það er nokkurs konar þoka ljóseinda sem hefur safnast upp allt frá tímum fyrstu stjarnanna og vetrarbrautanna.

Í þokunni felast upplýsingar um sögu alheimsins og hvenær stjörnur og vetrarbrautir mynduðust. Kári og félagar notuðu hugvitsamlega lausn til þess að fá betri mynd af stjörnumyndunarsögunni með mælingum sínum á bakgrunnsljósinu.

Rannsóknin bendir til þess að alheimurinn hafi ekki verið eins skapandi á upphafsárum sínum og reiknað hefur verið með fram að þessu. Grein með niðurstöðum þeirra birtist í vísindaritinu Science á morgun. Auk Kára, sem starfar hjá Raunvísindastofnun Háskóla Íslands, er Guðlaugur Jóhannesson, fræðimaður við stofnunina, á meðal höfunda greinarinnar. Guðlaugur hefur verið virkur meðlimur Fermi-samstarfsins frá því að sjónaukanum var skotið á loft árið 2008. Rannsóknin nú er hluti af verkefni um bakgrunnsljós vetrarbrauta sem Kári stýrir og Rannís styrkir.

Í myndbandi bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA í spilaranum hér fyrir neðan er farið yfir rannsóknina í einföldu máli. Háskóli Íslands fékk leyfi að talsetja myndbandið á íslensku.

Strókar risasvarthola eins og vitar sem lýsa í gegnum þokuna

Stjörnufræðingar telja að stjörnur hafi byrjað að myndast í alheiminum aðeins nokkrum milljónum ára eftir Miklahvell. Stjörnurnar mynduðu síðan vetrarbrautir sem eru stærstu sýnilegu einingar heimsins. Þó að hægt hafi á stjörnumynduninni verða enn sjö nýjar stjörnur til í Vetrarbrautinni okkar árlega.

Fram að þessu hafa vísindamenn gert sér hugmyndir um sögu stjörnumyndunar með því að telja vetrarbrautir sem öflugir sjónaukar eins og Hubble-geimsjónaukinn koma auga á með því að stara lengi út í elífðina. Þeirri aðferð eru hins vegar takmörk sett því ljósið frá elstu vetrarbrautunum er of dauft til að sjónaukarnir greini það.

Aðferðin sem Kári og félagar beittu var nýstárlega. Þeir notuðu gammageisla frá tröllauknum risasvartholum í miðju vetrarbrauta sem nokkurs konar radar til þess að mæla bakgrunnsljós alheimsins sem felur í sér allt útfjólublátt, innrautt og sjáanlegt ljós sem stjörnur hafa myndað frá upphafi vega.

„Þessar ljóseindir eyðast aldrei, þær bara hlaðast upp. Þær eru búnar að hlaðast upp frá því skömmu eftir Miklahvell. Í dag eru þær í rauninni allt í kringum okkur og við sitjum í sjó af ljóseindum sem eru búnar að byggjast upp frá stjörnum og vetrarbrautum frá árdögum alheims,“ segir Kári í samtali við Vísi.

Þegar efni hverfur inn í svarthol myndast gríðarleg orka í formi gammageisla sem skýst út frá þeim í strókum. Gammageislar eru orkuríkusta tegund ljóss sem til er. Orka þeirra eru svo mikil að þeir geta rekist á ljóseindir ólíkt öðrum tegundum ljósbylgna. Við árekstrana dofna gammageislarnir á ferðalagi sínu um geiminn líkt og ljós í gegnum þoku.  

Vísindamennirnir notuðu Fermi-gammageislasjónauka bandarísku geimvísindastofnunarinnar NASA til þess að finna á áttunda hundrað slíkra svartholastróka sem beinast að jörðinni. Kári líkir svarholunum við vita sem lýsa í gegnum þoku bakgrunnsljóssins.

Með því að mæla hversu mikið gammageislarnir höfðu dofnað á leiðinni gátu vísindamennirnir metið hversu mikið af ljóseindum væri í bakgrunnsljósinu.

„Vitinn sem lýsir í gegnum þokuna leyfir okkur að rannsaka þokuna,“ segir Kári.

Reiknaði út fjölda ljóseinda sem eru til í alheiminum

Það var í verkahring Kára að taka gögnin um hversu mikið gammageislarnir höfðu dofnað á leið sinni til jarðar og reikna út hversu mikið af ljóseindum væri að finna í bakgrunnsljósinu. Samkvæmt þeim útreikningum hafa allar stjörnur sýnilega alheimsins samanlagt sent frá sér 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 ljóseindir (4x10⁸⁴) síðustu þrettán milljarða ára.

Þrátt fyrir að ljóseindirnar séu nánast allar enn til staðar í alheiminum er næturhimininn biksvartur. Alheimurinn er enda gríðarlega víðfeðmur og ljósið því afar útþynnt. Birtan frá bakgrunnsljósinu samsvarar því aðeins einni 60 vatta ljósaperu séð úr fjögurra kílómetra fjarlægð dreifð yfir allan himininn.

„Bakgrunnsljósið er alls staðar, það er bara mjög dauft,“ segir Kári.

Kára tókst einnig að endurskapa sögu stjörnumyndunarinnar fyrir um 90% aldurs alheimsins út frá útreikningum sínum á bakgrunnsljósinu en það er í fyrsta skipti sem það hefur verið gert.

„Það segir okkur hversu hratt og hvar stjörnur mynduðust, á hvaða tímabilum í alheiminum,“ segir Kári sem hefur sérhæft sig í mælingum og líkanagerð á bakgrunnsljósinu.

Rennir stoðum undir fyrri rannsóknir

Meginniðurstöðurnar staðfesta í raun mælingar frá hefðbundnum vetrarbrautatalningum og rennir frekari stoðum undir núverandi hugmyndir vísindamanna.

„Þegar tvær mjög ólíkar aðferðir leiða sama svarið í ljós þá vitum við að við erum á réttri braut,“ segir Kári.

Sagan sem gögnin segja er á þá leið að stjörnumyndunin hófst skömmu eftir Miklahvell og jókst jafnt og þétt. Hún náði hámarki sínu fyrir um tíu milljörðum ára.

„Þá voru stærstu vetrarbrautirnar að mynda stjörnur og rekast á í miklum ágangi. Síðan hefur stjörnumyndun hægt og bítandi minnkað. Það má segja að við höfum misst af helsta partíinu í alheiminum. Partíið er að deyja út og stærstu vetrarbrautirnar eru hættar að mynda stjörnur,“ segir Kári.

Gammageislarnir sem voru notaðir við rannsóknina ná svo langt aftur í tímann og Kári og félagar gátu sett mörk á hversu margar ljóseindir voru til í árdaga alheimsins og þannig hversu virk stjörnumyndunin var á þeim tíma.

Þetta tímabil alheimssögunnar þar sem fyrstu stjörnurnar og vetrarbrautirnar mynduðust er á meðal þess sem James Webb-geimsjónaukinn, stærsti geimsjónauki heims sem til stóð að skjóta á loft á þessu ári en frestaðist til 2021, á að rannsaka.

Grein Kára og félaga hefur þýðingu fyrir þær rannsóknir. Niðurstöður þeirra benda til þess að James Webb-sjónaukinn finni færri vetrarbrautir á þessu tímabili nokkur hundruð milljónum eftir Miklahvell en sumir vísindamenn hafa talið.