Mystery of the Universe Gamma-Ray Glow Solved

De gestage gloed van hoogenergetische gammastraling die zich over de kosmos verspreidt, heeft astronomen tientallen jaren lang in verwarring gebracht. Eén team van onderzoekers denkt dat het nog de beste verklaring heeft voor de bron van deze vreemde uitstoot.

Na zes jaar lang het universum te hebben gezien met de Fermi Gamma-ray Space Telescope van NASA, zeggen wetenschappers met de missie dat de meerderheid van de gammastraalgloed die ze hebben gezien kan worden verklaard door objecten die al bekend zijn bij de wetenschap. Als er nog onbekende bronnen zijn, zou hun bijdrage aan de gloed heel klein zijn, zeggen wetenschappers.

"We hebben een zeer aannemelijk verhaal, we zijn er niet 100% van overtuigd dat dit het laatste antwoord is, maar het beperkt echt wat andere exotische mogelijkheden kunnen zijn," zei Keith Bechtol, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago en een lid van de Fermi-samenwerking die aan de analyse heeft gewerkt. [Fermi's Gamma-Ray Universe in afbeeldingen (galerij)]

Fermi: een gumshoe met gammastralen

NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope snapt foto's van het hele waarneembare universum - van begin tot eind - in gammastralen, die enkele van de hoogste energiefotonen in de natuur zijn.

Hoewel dat brede beeld van het universum nuttig is, kan het een uitdaging zijn om de exacte bronnen van deze gammastralen te vinden. In plaats daarvan ziet Fermi een diffuse gloed uit het universum. Deze gloed is technisch bekend als de extragalactische gammastraalachtergrond of de EGB. Eerdere gammastralingtelescopen hebben ook dit licht gezien dat de achtergrond van de kosmos vult.

"We weten al sinds het einde van de jaren zestig over deze gamma-achtergrond," zei Bechtol. "Het is een heel oud mysterie en elke generatie gammastralingtelescopen heeft ons wat meer informatie gegeven."

Met behulp van andere telescopen kan de Fermi-telescoop bepalen waar een deel van dit hoogenergetische achtergrondlicht vandaan komt. Er zijn bijvoorbeeld heel energetische sterrenstelsels, blazars genaamd, die een hoge golf aan gammastraling afgeven. De Energetic Gamma Ray Experiment Telescope (EGRET), die aan Fermi voorafging, brak records door ongeveer 300 gammastralingsbronnen te detecteren. Tot nu toe heeft de Fermi-telescoop meer dan 3000 bronnen geïdentificeerd.

Maar 3000 is slechts een druppel in de oceaan van gammastralingsbronnen in het hele universum, zeggen wetenschappers. [Top 10 Gamma-Ray Bronnen in het universum]

"We denken dat elke melkweg op een bepaald niveau gammastralen produceert", zei Bechtol. "De overgrote meerderheid is te zwak om individueel gezien te worden en in plaats daarvan is hun collectieve uitstraling samen vervaagd." (Veel sterrenstelsels stralen hoge niveaus van optisch licht uit en kunnen worden waargenomen door telescopen zoals de Hubble, maar hun gammastraling is te zwak om te worden gedetecteerd.)

"Het is frustrerend om het antwoord niet te weten, maar het feit dat er een mysterie is - ik denk dat dit ons veel heeft aangetrokken tot dit probleem," zei Bechtol. "In ieder geval voor mij, ik vind het leuk om aan de rand van die ontdekkingsruimte te staan ​​waar nog steeds lege delen op de kaart staan."

Het mysterie kraken

De Fermi-telescoop kan de meeste objecten die gammastraallicht uitstralen niet zien, dus de wetenschappers moeten proberen in te schatten hoeveel gammafunctieobjecten er zijn.

In een analyse die voor het eerst openbaar werd gemaakt in september 2014, namen leden van de Fermi-samenwerking de bekende bronnen van gammastraling en voegden ze toe samen met modellen die de frequentie en locatie van onzichtbare bronnen voorspelden. De wetenschappers berekenden hoeveel gammastraal zowel de gedetecteerde als de gemodelleerde bronnen samen zouden produceren.

Deze berekende output van gammastralen komt sterk overeen met de werkelijke gammastraling-achtergrond die Fermi waarneemt - de hele EGB.

De uiteindelijke schatting laat zien dat ongeveer 50 procent van de gamma-achtergrond afkomstig is van extreem energetische sterrenstelsels die we kennen als blazars. Tien tot 30 procent van de gammastralingsachtergrond komt voort uit stervormende sterrenstelsels zoals de Melkweg, die samen veel kleinere gammastralingsbronnen kunnen bevatten, zoals supernova's. Nog eens 20 procent is afkomstig van radiostelsels, die blazars zijn, maar zijn weg van de aarde gericht, en kunnen daarom niet gemakkelijk door Fermi worden gezien.

"Er kunnen zeker nieuwe gammastralingsbronnen zijn," zei Bechtol. "Het is alleen dat hun totale bijdrage relatief klein zou moeten zijn."

Het is ook mogelijk dat donkere materie - het mysterieuze materiaal dat 80 procent van alle materie in het universum vormt - gammastraling produceert, en de Fermi-resultaten kunnen wetenschappers helpen uitzoeken welk soort deeltje (of deeltjes) donkere materie vormen .

Twee grote onzekerheden blijven in de schatting van Fermi. Ten eerste is het moeilijk om de gammastraalgloed van het universum te meten, en Bechtol zei dat hij en zijn medewerkers veel tijd hebben besteed aan het verbeteren van die meting.

Ten tweede maken de wetenschappers schattingen over objecten die ze niet direct kunnen waarnemen, waarvan de meeste zich buiten het Melkwegstelsel bevinden (of extragalactisch).

"Toen [wetenschappers] voor het eerst de achtergrond van de gammastraling ontdekten, was het grotendeels een raadsel over wat het heeft gecreëerd," zei Bechtol. "En nu lijkt het alsof alles heel goed bij elkaar past. Op dit moment lijkt de eenvoudigste uitleg over bekende astrofysische bronnen het prima te doen."

Licht van terug in de tijd

Fermi's succes bij het decoderen van de achtergrond van de gammastraling was grotendeels afhankelijk van de verhoogde gevoeligheid voor gammastraling en de detectie van meer gammastralingsbronnen dan eerdere telescopen. Bovendien hebben wetenschappers van Fermi gewerkt aan een beter begrip van hoe de gammastraalemissies in de loop van de geschiedenis van het universum zijn veranderd. Dit is waardevol omdat wanneer Fermi naar bronnen van gammastraling kijkt, het eigenlijk in het verleden kijkt.

Licht reist met een eindige snelheid - het licht van de zon duurt 8 minuten om de aarde te bereiken, wat betekent dat mensen de zon daadwerkelijk zien zoals 8 minuten geleden. Volgens dezelfde logica worden objecten die miljarden lichtjaren verwijderd zijn van de aarde door Fermi gezien zoals ze miljarden jaren geleden waren.

"We meten letterlijk de lichtopbrengst over de geschiedenis van het universum, en voor mij is dat wat dit opwindend maakt," zei Bechtol. "We zien alle verschillende tijdsperioden in het universum op hetzelfde moment, al het licht uit al die verschillende perioden wordt bij elkaar opgeteld om de gammastraalachtergrond te vormen."

Het hebben van een historisch perspectief maakt een groot verschil voor Fermi omdat de kosmische output van gammastraling waarschijnlijk op verschillende momenten gedurende de laatste 13 miljard jaar anders is geweest. Het universum heeft bijvoorbeeld perioden gezien waarin de populatie van blazars explodeerde en andere keren dat de bevolkingsgroei vertraagde. Ze moeten ook precies begrijpen hoe ver die bladen zijn verwijderd, om nauwkeurig te kunnen meten hoe lang geleden deze heldere bronnen zijn verbrand.

De Fermi-wetenschappers hebben een al lang bestaande puzzel opgelost, maar Bechtol zei dat er nog steeds andere mysteries in het gammastraaluniversum zijn. Er zijn andere gammastralingtelescopen die zelfs nog hogere energetische gammastralen kunnen detecteren dan Fermi, en het is mogelijk dat er in die energiebereiken bronnen van gammastraling zijn waarvan wetenschappers nog geen weet hebben.

"We denken dat dit [resultaat] samenvalt met het uiteindelijke antwoord, maar de geschiedenis heeft ons laten zien dat er soms meer is in het verhaal," zei Bechtol. "Ik denk zeker dat, wanneer we naar hogere energieën [...] gaan kijken, er enkele verrassingen zullen ontstaan."