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2018-12-5

借助伽玛射线观测解密宇宙的恒星形成历史

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 1:18 pm

研究宇宙中各处恒星形成的速率有多种方法。对于距离较近的区域来说,直接使用最大最好的望远镜对准目标区域观测就是了,有多种特征辐射可以被视作产星活动的示踪,光学受阻于尘云还可以改用红外。不过到了距离更远的地方,尤其是直接反映了宇宙早期面貌的高红移区,现有任何设备也无法准确而又完整地勾勒出给定天区内所有星系的面貌,这时候就要轮到河外背景光登场了。

先前站里已经介绍过,在红外到紫外波段,河外背景光其实就是各个星系相应波段辐射的叠加。其中红外背景光一大来源就是星际尘埃吸收星光后的再辐射,而频率更高的可见光和紫外背景光则以恒星星光的直接叠加为主;在特定红移处的背景光则由更远处的所有星光叠加。这样一来,通过测量不同距离上的背景光强度,就可以反推出相应时期恒星数量的演变,进而勾勒出宇宙产星活动史了。当然,背景光中也少不了活动星系核相关的非热辐射,只是相比源于恒星的直接或间接贡献,它们算不上主流。

但在银河系的复杂前景干扰下,直接对河外背景光作出可靠的测量几乎不可能。好在这一波段的光子在条件合适的情况下,可以同高能伽玛光子发生双光子湮灭反应,生成正负电子对,并在发生反应的伽玛能谱中留下以减弱乃至截断作为表现的踪迹。因此只要分析伽玛源的表现,就可以在一定程度上反推河外背景光的形态;伽玛源距离不同,反映的自然也就是不同红移处的恒星数量和恒星形成史。多年以来,对这方面的研究算得上高能天文学的重要话题。

用于限制河外背景光的739个耀变体在全天的分布示意。(图片来源:NASA/DOE/Fermi-LAT Collaboration)

作为当代MeV-GeV伽玛射线天文学的旗舰,费米伽玛射线空间望远镜自然也免不了用数量空前的数据来贡献河外背景光的研究,最近发表的一项新工作可以称得上是此方面的集大成者——它综合了费米9年间对739个耀变体以及伽玛暴GRB 080916C的监测,一路将背景光的形态描绘到红移4以远,勾勒出了宇宙90%的历史中恒星形成的演化情况,所得结果也称得上迄今最佳。

作为特大质量黑洞驱动的活动星系核,耀变体未经背景光子吸收的本征能谱一般由简单的幂律谱来描述就可以了(于伽玛暴则是Band双幂律谱)。经过双光子湮灭反应,原本的高能光谱流量会按照幂指数形式衰减,其衰减程度取决于反应光深,进而又由参与反应光子的能量和数量决定。不过在这项工作中,光深实际上是通过根据多种理论模型估测的给定乘以待拟合的吸收程度因子(越接近0则吸收越弱,越接近1则意味着反应程度与模型预言越接近)的模式来表达的。这样做可以检验已有模型的准确度,而且也更加灵活。

宇宙“伽玛射线视界”的分布,图中的曲线表示令双光子反应光深为1(对应能谱流量陡降)的光子能量对应的红移。(图片来源:The Fermi-LAT Collaboration 2019

这项工作分析的耀变体红移介于0.03到3.1之间,涵盖了宇宙大爆炸后116亿年到2亿年的时间段;而带有GeV辐射的GRB 080916C更是将红移进一步推进到了4.35处,由此甚至还可以限制红移大于5的早期宇宙中的产星过程。不过由于高红移区高能耀变体的数量因河外背景光吸收效应而锐减,这种方法对红移不超过1.5的区域效果最好。

根据高能能谱反推出的河外背景光辐射的强度其实很弱,在近域宇宙中(等同于将宇宙中所有的星光叠加起来),紫外波段只有每平方米每立体角2.56纳瓦特,在强度稍高的近红外波段也不过是每平方米每立体角11.6纳瓦特;折合到整个宇宙,背景光中的所有光子数量在1084的量级上——这与先前通过星系计数得出的结论相符,却并未为其他可能的辐射成分留下什么余地。

恒星形成速率在宇宙历史中的演化。(图片来源:The Fermi-LAT Collaboration 2019

费米小组根据河外背景光反推出的宇宙产星史则大约在110亿年前达到10倍于现今的高峰,这与理论预言以及前人的观测相符。但由于高红移伽玛源数量过少,理论和观测的偏差在此区域相对更大,此外出于类似的原因,宇宙学家更感兴趣的再电离光源通过高能观测仍然无法被完全敲定。

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