科学家发现宇宙星光中的“历史书”：揭示宇宙中恒星的演化历史

如果你很喜欢非常大的、没什么实际意义的数字，那么克莱姆森大学的天体物理学家Marco Ajello有一个很大的数字送给你： 4 x 10^84。

这是在整个宇宙历史中，成功从恒星和围绕恒星的尘埃中逃逸到太空的光子的总数。当然，你会期望这个数字会是非常巨大的，而现在这个数字确实非常浩瀚。(相比之下，最近对宇宙中原子数量的估计仅小了几个数量级。)

然而，能够计算出这个数字，是Ajello和他的团队进行的新研究的一个正面附带好处。这项研究使用了被困在所有星光(被称为银河系外背景光)中的信息，支持了此前关于宇宙历史上恒星形成速率的理论。

星光让我们着迷是有原因的。来源：NASA/JPL-Caltech/STScI/IRAM

根据定义，银河系外背景光是恒星发出的近红外、光学和紫外线辐射的一部分，相比于与周围的尘埃碰撞，这些光设法进入了太空。“基本上到处都是星光，”Ajello说，“所有恒星发出的、能够逃逸到太空的光基本上都共同组成了这个背景光。”

但银河系外背景光很难测量，因为它在宇宙中分布得非常稀疏，而且在更靠近地球的强光源对比之下会变得更黯淡。所以Ajello和他的合作者们试图利用Blazars天体来分析银河系外背景光——Blazars是一种在核心隐藏超大质量黑洞的星系，它正朝着我们地球的大致方向发射着一股巨大的高能物质流。科学家们关于这些Blazars天体和它们所发射的高能伽马射线光子的数据来自NASA的费米伽马射线太空望远镜。

这项研究依赖于Blazars天体的一个令人讨厌的特性：它们产生的一些最高能量的光会爆炸成更低能量的光粒子，就像我们人类可以看到的光子一样。这种碰撞将一对不匹配的光子变成一个电子和一个正电子，基本上使Blazar释放的高能光子消失。波士顿大学天体物理学家马纳斯维塔·乔希(Manasvita Joshi)说：“从某种意义上说，是的，如果你只专注于Blazar天体研究的话，这是一个劣势，但你可以利用它来做类似这样的事情。”

Blazar天体光子和银河外背景光光子只会在一个特定的能量级水平相互起作用。这意味着科学家可以从低能级产生的光推断出高能级应该产生的光。然后，他们可以计算它们的差值，也就是在碰撞中消失的差值。这样就很容易绕到碰撞的另一边去测量银河系外背景光。

通过研究距离地球不同距离上的许多Blazar天体(确切地说，是739个)，随时间的变化，研究小组可以精确地指出银河系外背景光的变化。 Ajello说：“通过测量恒星光在宇宙中的演化，你实际上可以将其转化为对恒星形成的相应测量。我们正在精确地追踪这些背景光在宇宙历史上的变化。”

乔希说：“现在，有一种新技术可以利用它来研究宇宙恒星形成的历史。”这是科学家们长期以来一直想解决的问题，但到目前为止，他们不得不间接地解决这个问题，并依赖于一些初步假设，这种方法并不理想。“(先前估计的)问题在于，因为你的初始质量函数实际上是……是一种猜测，这种初步的猜测可能会带来不确定性。”

乔希说，因此，这种不同的方法(绕过了那些最初的假设)随着时间的推移得出了一些关于恒星形成的相同结论，这让天体物理学家感到欣慰。这不仅有助于验证这些结论，而且有助于表明，科学家们最初在旧方法中使用的假设是正确的。

那么，诞生恒星最多的时间是什么时候?答案是在大约100亿年前，证据就隐藏在它们的星光中。

这项研究发表在11月29日的《科学》(Science)杂志上。