Ce graphique montre l'emplacement de 150 blazars (points verts) utilisés dans le nouveau par le télescope à rayons gamma Fermi. Crédit: NASA / DOE / Fermi LAT Collaboration
Toute la lumière qui a été produite par chaque étoile qui a jamais existé est toujours là, mais la «voir» et la mesurer avec précision est extrêmement difficile. Désormais, les astronomes utilisant les données du télescope spatial à rayons gamma Fermi de la NASA ont pu regarder des blazars éloignés pour aider à mesurer la lumière de fond de toutes les étoiles qui brillent maintenant et l'ont toujours été. Cela a permis la mesure la plus précise de la lumière des étoiles dans tout l'univers, ce qui à son tour aide à établir des limites sur le nombre total d'étoiles qui ont jamais brillé.
"La lumière optique et ultraviolette des étoiles continue de voyager dans l'univers même après que les étoiles cessent de briller, ce qui crée un champ de rayonnement fossile que nous pouvons explorer en utilisant des rayons gamma de sources éloignées", a déclaré le scientifique principal Marco Ajello de l'Institut Kavli pour Astrophysique des particules et cosmologie à l'Université de Stanford en Californie et au Laboratoire des sciences spatiales de l'Université de Californie à Berkeley.
Leurs résultats fournissent également une densité stellaire dans le cosmos d'environ 1,4 étoiles pour 100 milliards d'années-lumière cubes, ce qui signifie que la distance moyenne entre les étoiles dans l'univers est d'environ 4 150 années-lumière.
La somme totale de la lumière des étoiles dans le cosmos est appelée lumière de fond extragalactique (EBL), et Ajello et son équipe ont étudié l'EBL en étudiant les rayons gamma de 150 blazars, qui sont parmi les phénomènes les plus énergétiques de l'univers. Ce sont des galaxies alimentées par des trous noirs extrêmement énergétiques: elles ont des énergies supérieures à 3 milliards d'électrons volts (GeV), soit plus d'un milliard de fois l'énergie de la lumière visible.
Les astronomes ont utilisé quatre ans de données Fermi sur les rayons gamma avec des énergies supérieures à 10 milliards d'électrons volts (GeV), et l'instrument Fermi Large Area Telescope (LAT) est le premier à détecter plus de 500 sources dans cette gamme d'énergie.
Pour les rayons gamma, l'EBL fonctionne comme une sorte de brouillard cosmique, mais Fermi a mesuré la quantité d'absorption des rayons gamma dans les spectres blazar produite par la lumière des étoiles ultraviolette et visible à trois époques différentes de l'histoire de l'univers.
Fermi a mesuré la quantité d'absorption des rayons gamma dans les spectres blazar produite par la lumière ultraviolette et visible des étoiles à trois époques différentes de l'histoire de l'univers. (Crédit: Goddard Space Flight Center de la NASA)
«Avec plus d'un millier détecté jusqu'à présent, les blazars sont les sources les plus courantes détectées par Fermi, mais les rayons gamma à ces énergies sont rares, c'est pourquoi il a fallu quatre ans de données pour effectuer cette analyse», a déclaré un membre de l'équipe. Justin Finke, astrophysicien au Naval Research Laboratory de Washington.
Les rayons gamma produits par les jets blazars parcourent des milliards d'années-lumière vers la Terre. Au cours de leur voyage, les rayons gamma traversent un brouillard croissant de lumière visible et ultraviolette émise par des étoiles qui se sont formées tout au long de l'histoire de l'univers.
Parfois, un rayon gamma entre en collision avec la lumière des étoiles et se transforme en une paire de particules - un électron et son homologue antimatière, un positron. Une fois que cela se produit, la lumière des rayons gamma est perdue. En effet, le processus atténue le signal des rayons gamma de la même manière que le brouillard atténue un phare éloigné.
À partir d'études sur des blazars proches, les scientifiques ont déterminé combien de rayons gamma devraient être émis à différentes énergies. Des blazars plus éloignés montrent moins de rayons gamma à des énergies plus élevées - en particulier au-dessus de 25 GeV - grâce à l'absorption par le brouillard cosmique.
Les chercheurs ont ensuite déterminé l'atténuation moyenne des rayons gamma sur trois gammes de distances: le groupe le plus proche était celui de l'âge de 11,2 ans, le groupe moyen de celui de l'Univers à 8,6 milliards d'années et le groupe le plus éloigné de celui de l'Univers. 4,1 milliards d'années.
Cette animation suit plusieurs rayons gamma dans l'espace et le temps, depuis leur émission dans le jet d'un blazar éloigné jusqu'à leur arrivée dans le télescope à grande surface de Fermi (LAT). Au cours de leur voyage, le nombre de photons ultraviolets et optiques (bleu) se déplaçant de manière aléatoire augmente à mesure que de plus en plus d'étoiles naissent dans l'univers. Finalement, l'un des rayons gamma rencontre un photon de lumière stellaire et le rayon gamma se transforme en un électron et un positron. Les photons gamma restants arrivent à Fermi, interagissent avec les plaques de tungstène dans le LAT, et produisent les électrons et les positrons dont les chemins à travers le détecteur permettent aux astronomes de faire reculer les rayons gamma jusqu'à leur source.
À partir de cette mesure, les scientifiques ont pu estimer l'épaisseur du brouillard.
"Ces résultats vous donnent à la fois une limite supérieure et inférieure sur la quantité de lumière dans l'Univers et la quantité d'étoiles qui se sont formées", a déclaré Finke lors d'un point de presse aujourd'hui. "Les estimations précédentes n'étaient qu'une limite supérieure."
Et les limites supérieure et inférieure sont très proches l'une de l'autre, a déclaré Volker Bromm, astronome à l'Université du Texas, Austin, qui a commenté les résultats. "Le résultat de Fermi ouvre la possibilité excitante de limiter la première période de formation d'étoiles cosmiques, ouvrant ainsi la voie au télescope spatial James Webb de la NASA", a-t-il déclaré. "En termes simples, Fermi nous fournit une image d'ombre des premières étoiles, alors que Webb les détectera directement."
Mesurer la lumière de fond extragalactique était l'un des principaux objectifs de la mission de Fermi, et Ajello a déclaré que les résultats sont cruciaux pour aider à répondre à un certain nombre de grandes questions en cosmologie.
Un article décrivant les résultats a été publié jeudi sur Science Express.
Source: NASA
