Naukowcy udali się na krańce Układu Słonecznego, przynajmniej wirtualnie, aby wykonać jak dotąd najdokładniejsze pomiary słabego blasku przenikającego wszechświat – zjawiska znanego jako optyczne promieniowanie tła kosmicznego.
Nowe badanie, opublikowane 28 sierpnia w The Astrophysical Journal, opiera się na obserwacjach z sondy kosmicznej NASA New Horizons, która przemknęła obok Plutona w 2015 r. i znajduje się obecnie w odległości prawie 5,5 miliarda mil od Ziemi. Badania mają na celu odpowiedź na pozornie proste pytanie, powiedział współautor Michael Shull, astrofizyk z University of Colorado Boulder.
„Czy niebo jest naprawdę ciemne?” – zapytał Shull, emerytowany profesor Wydziału Astrofizyki i Nauk Planetarnych.
Przestrzeń kosmiczna może wydawać się czarna dla ludzkich oczu, ale naukowcy uważają, że nie jest całkowicie ciemna. Od początku istnienia kosmosu biliony galaktyk zawierających niezliczone gwiazdy uformowały się i umarły, pozostawiając po sobie niezauważalnie słabe światło. Pomyśl o tym jak o nocnym świetle w kosmosie.
Shull i zespół kierowany przez Marca Postmana z Space Telescope Science Institute w Baltimore obliczyli, jak jasna jest ta poświata. Ich odkrycia sugerują, że kosmiczne tło optyczne jest około 100 miliardów razy słabsze niż światło słoneczne docierające do powierzchni Ziemi – zdecydowanie za słabe, aby ludzie mogli je zobaczyć gołym okiem.
Wyniki mogą pomóc naukowcom rzucić światło na historię wszechświata od Wielkiego Wybuchu.
„Jesteśmy trochę jak kosmiczni księgowi, sumujący każde źródło światła, jakie możemy uwzględnić we wszechświecie” – powiedział Shull.
W ciemność
Dodał, że tego typu obliczenia pobudzają wyobraźnię naukowców od niemal 50 lat.
Shull wyjaśnił, że po dziesięcioleciach badań astrofizycy uważają, że mają całkiem niezłe pojęcie o tym, jak ewoluował kosmos. Pierwsze galaktyki powstały w epoce znanej jako Kosmiczny Świt kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Światło gwiazd z galaktyk w odległym wszechświecie osiągnęło swój najjaśniejszy punkt około 10 miliardów lat temu i od tamtej pory przygasa.
Precyzyjne pomiary kosmicznego tła optycznego mogą pomóc naukowcom potwierdzić, czy ten obraz kosmosu ma sens, czy też istnieją tajemnicze, jak dotąd nieodkryte obiekty rzucające światło w przestrzeń kosmiczną.
Jednakże wykonywanie takich pomiarów nie jest łatwe, zwłaszcza z Ziemi.
Okolice Ziemi roją się od drobnych ziarenek pyłu i innych zanieczyszczeń. Światło słoneczne odbija się od tego bałaganu, wypłukując wszelkie sygnały, które mogłyby pochodzić z kosmicznego tła optycznego.
„Używam metafory, że jeśli chcesz zobaczyć gwiazdy, musisz wydostać się z Denver” – powiedział Shull. „Musisz pojechać daleko, aż do północno-wschodniego narożnika Kolorado, gdzie przed tobą są tylko Dakota Południowa i Nebraska”.
Dzięki sondzie New Horizons naukowcy zyskali niepowtarzalną okazję dokonania podobnego odkrycia w kosmosie.
Rachunkowość kosmiczna
Misja ma unikalne korzenie w Kolorado. Alan Stern, który studiował jako student studiów podyplomowych na CU Boulder pod okiem Shulla i byłego starszego współpracownika naukowego Jacka Brandta, kieruje misją New Horizons. Obecnie pracuje w Southwest Research Institute w Boulder w stanie Kolorado. Statek kosmiczny przenosi również Student Dust Counter, instrument zaprojektowany i zbudowany przez studentów z CU Boulder's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP).
W ciągu kilku tygodni lata 2023 roku naukowcy skierowali kamerę Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) sondy New Horizons na 25 fragmentów nieba.
Nawet na skraju Układu Słonecznego zespół musiał zmagać się z dużą ilością dodatkowego światła. Na przykład Galaktyka Drogi Mlecznej znajduje się w halo, które, podobnie jak nasz Układ Słoneczny, zbiera kurz.
„Nie możesz uciec od kurzu” – powiedział Shull. „Jest wszędzie”.
On i jego koledzy oszacowali, ile światła może wygenerować ta aureola, a następnie odjęli ją od tego, co oglądali za pomocą LORRI. Po pozbyciu się dodatkowych źródeł światła, zespołowi pozostało kosmiczne tło optyczne.
W terminologii naukowej to tło wynosi około 11 nanowatów na metr kwadratowy na steradian. (Steradian to fragment nieba o szerokości około 130 razy większej od średnicy księżyca).
Shull powiedział, że ta wartość dobrze pasuje do tego, ile galaktyk, według naukowców, powinno powstać od Wielkiego Wybuchu. Mówiąc inaczej, nie wydaje się, aby w kosmosie istniały jakieś dziwne obiekty, takie jak egzotyczne rodzaje cząstek, które wytwarzałyby dużo światła. Jednak naukowcy nie mogą całkowicie wykluczyć takich anomalii.
Pomiary zespołu prawdopodobnie będą najlepszymi szacunkami blasku wszechświata od dłuższego czasu. New Horizons wykorzystuje pozostałe zapasy paliwa do realizacji innych priorytetów naukowych, a żadna inna misja nie zmierza obecnie w kierunku tych zimnych i ciemnych zakątków kosmosu.
„Jeśli umieściliby kamerę na przyszłej misji i wszyscy poczekalibyśmy kilka dekad, aż zostanie ona wysłana, moglibyśmy zobaczyć dokładniejszy pomiar” – powiedział Shull.
Inni współautorzy nowego badania to Alan Stern i Tod Lauer z SWRI z US National Science Foundation National Optical Infrared Astronomy Research Laboratory. Uczestniczyli w nim również naukowcy z Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, University of Texas w San Antonio i University of Virginia.