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太空到底有多黑？“新视野号”带来新答案

百家作者：果壳 2021-02-07 19:03:25

位于外太阳系的“新视野号”探测器的艺术展示图。背景是太阳和代表黄道光的发光带，这是由灰尘反射阳光所引起的。“新视野号”远离了内太阳系，摆脱了内太阳系中存在的光污染，能够回答这个问题:太空究竟有多暗?右下角是银河系的背景恒星。（Credits:Joe Olmsted）

太空有多暗？如果你远离城市的灯光，抬头看，你会看到星星之间的夜空确实漆黑一片。在地球大气层之外，外太空更加暗淡，漆黑如墨。但即使是那里，太空也不是绝对黑暗的。那里有来自无数遥远的恒星和星系的微光。

对这种微弱的背景光的最新观测表明，难以看到的星系并不像之前一些理论研究认为的那么多——它们的数量只有几千亿，而不是之前认为的两万亿。

“深空中到底有多少星系?了解这个数字很重要！”位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所的Marc Postman说，他是这项研究的主要作者之一，“我们根本没有看到来自两万亿星系的光。”

之前的数量估计是基于NASA的哈勃太空望远镜对超深空的观测而推断出来的。它依靠数学模型来估算有多少星系由于太小、太暗淡而无法被哈勃望远镜看到。他们得出的结论是，宇宙中90%的星系是现在哈勃望远镜在可见光波段看不到的。而基于“新视野号”（New Horizons，又译“新地平线”）探测器的最新观测结果，发现这一数字远没有之前我们认为的那么多。“新视野号”探测器离我们很遥远，2015年到达冥王星附近，正在穿越柯伊伯带。

NOIRLab（美国国家光学和红外天文研究实验室）的Tod Lauer是这项研究的主要作者之一，他说:“把哈勃所能看到的所有星系数量乘2，这就是我们所看到的结果，而不会更多了。”

这些结果于当地时间1月13日（北京时间1月13日凌晨）在美国天文学会的一次会议上公布。

该团队旨在测量的宇宙光学背景是更为人熟知的宇宙微波背景在可见光波段的对应，它是恒星诞生之前，大爆炸本身的微弱余辉。

“宇宙微波背景告诉我们在大爆炸之后的最初450,000年发生了什么，而宇宙光学背景则会告诉我们自那以后宇宙中所诞生的所有恒星有多少。”波兹曼解释说，“已经形成的星系总数有多少，以及它们在时间长河上的分布如何，宇宙光学背景对这些答案施加了限制。”

即便性能强大如哈勃望远镜，研究团队也无法进行这些观测。虽然位于太空中，但哈勃望远镜绕地球运行，仍然受到光污染的困扰。太阳系内部充满了来自解体的小行星和彗星的微小尘埃颗粒。阳光照射在这些粒子上并被散射，产生一种叫做黄道光的辉光。这些辉光即使是地面上的天文观测者也能观察到。

黄道光和银河（Credits:Z. Levay）

为了规避黄道光，研究团队不得不使用一个脱离了内太阳系的天文探测仪器。幸运的是，“新视野号”探测器最近已经发回了冥王星和柯伊伯带天体Arrokoth的照片，这些照片拍摄地离内太阳系足够远，因此可以来进行这些测量。在这一距离(当拍摄这些照片时，新视野号距离我们超过40亿英里)，“新视野号”所处的太空比哈勃所能到达的最黑暗的太空暗10倍。

形似雪人的天体Arrokoth

“这类测量非常困难。很多人已经为此努力了很久。”Tod Lauer说道，“新视野号为我们提供了非常大的优势来测量宇宙光学背景，这是其他观测者都无法做到的。”

研究团队分析了“新视野号”存档数据中的现有图像。为了筛出微弱的背景光，他们必须修正一些其他因素。例如，他们减去了预期存在的一些星系发出的光，这些星系太过暗弱而无法被识别。最具挑战性的修正是去除被星际尘埃反射到相机中的银河系恒星所发出的光。

剩下的信号虽然非常微弱，但仍然可以被测量。Marc Postman打了一个比方：假如你生活在远离城市灯光的偏远地区，晚上躺在卧室里，当你拉开窗帘，一英里之外的邻居打开冰箱寻找夜宵充饥，而冰箱发出的光反射在你卧室的墙壁上，新视野号探测到的背景就像这一样暗弱。

那么，这些剩余光的来源是什么呢？可能来自于在相对近邻的宇宙中存在着的大量矮星系，而它们的存在恰恰是现在无法探测到的。或者星系周围弥漫的光晕可能比预期的更亮。可能有一群在星系间的流浪恒星，它们散布在整个宇宙中。也许最有趣的是，可能有许多比现有理论所认为的更暗淡、更遥远的星系。这将意味着，迄今为止观测所给出的关于星系大小的光滑分布函数将在我们能看到的最暗弱的星系之外有剧烈的上升——就像海滩上的鹅卵石比岩石多得多。

美国航空航天局（NASA）即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜可能有助于解开这个谜团。如果微弱的单个星系是这些余辉的来源，那么韦伯望远镜的超深场观测应该能够探测到它们。

翻译自：

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2021/news-2021-01

翻译：马潇汉；审定：王佳；排版：John。