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新的研究表明,深空可能不完全黑暗

当我们看着地球上最黑暗的夜空时,即使是我们能找到的最空虚的深渊也不是完全黑暗。我们可以在银河系中的各个恒星之间看望,进一步观察宇宙。我们可以查看遍布宇宙的无数个星系之间的空间,找到许多没有可识别光源的区域。但是即使这样做,来自我们自己后院的光线仍然会挡住我们。

新的研究表明,深空可能不完全黑暗

从太阳、地球、月球以及太阳系中发现的微小的、能反射光的尘埃颗粒,即使是所有最大的太空望远镜也必须与来自各个方向的这种外来光竞争:黄道光。从银河内存在的单个原子、离子和分子,也总是会出现微弱的银河光芒。但是,如果有一种方法可以将所有这些多余的光源相减,那么空间会显得完全暗了,还是会剩下一些光:宇宙的光学背景?在一项引人入胜的新研究中,来自美国国家航空航天局(NASA)的“新视野”(New Horizons)任务的团队声称这是第一次进行此操作,声称深太空可能并不完全黑暗。

新的研究表明,深空可能不完全黑暗

当您想到深空的深渊时,您可能会想到有史以来拍摄的最深的图像:像哈勃极限极深场这样的图像,它揭示了人类有史以来最微弱、最遥远的星系。这些图像通过以下方式出色地构建:

定位没有已知明亮恒星或星系的空间区域,远离太阳系中黄道光的平面,远离银河系的平面,在很长一段时间内,望远镜都能始终看到并收集各种波长范围内的许多长时间曝光图像。哈勃太空望远镜的首次尝试是创建原始的哈勃深场,同时升级了相机,更宽的波长范围,出色的仪器和数据处理以及更长的观察时间,最终创造出了更深的图像。

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宝石级别的哈勃极致深场,大约有23天的累积观测时间用于产生最终结果。总而言之,该图像覆盖了天空的微小区域:一侧大约只有1/30度,这意味着大约需要32,000,000个区域才能覆盖整个天空。但是在该区域内,观测结果表明在这个很小的空间区域内总共有5500个星系。推断整个天空,可以直接估算出整个宇宙中约有1,700亿个星系。

但是这个估计有两个问题。

这是应该存在的星系数量的下限。我们可以看到多远,可以看到多微弱的物体以及望远镜分辨出存在的结构的能力是有限的。

我们只能看到其光信号足够明亮以在任何背景下都能看到的结构。如果那里有背景灯,它可能会淹没任何潜在的信号。

通过这两种方式,甚至从根本上限制了哈勃。

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第一个限制很容易理解。当您睁开眼睛注视着宇宙时,您将从那里的所有事物收集光,一次只有一个光子。无论您观察多长时间,都只能使用有限尺寸的镜子收集有限量的光,从根本上限制了您所看到的物体的模糊程度。您可以找到较暗的物体,如果它们离得较近,但是如果它们离得太远,则即使最亮的物体也将不再可见。

哈勃望远镜的观测偏向于本质上明亮的附近星系,这使得更小、更暗、更远的星系更难以发现。从理论上讲,应该有更多的星系,甚至哈勃望远镜也无法揭示。最近的一项研究估计,在可观测的宇宙中可能有多达2万亿个星系,比哈勃迄今为止所观察到的星系大10倍。他们中的大多数人都将变得微弱而渺小,甚至超出了极限深场所能显示的范围。

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但是第二个限制是我们大多数人都不熟悉的限制。即使在漆黑、晴朗的夜晚,地球上的大多数人也只能看到几百颗恒星,这是因为电气化基础设施产生的光污染使进入天空的光多于夜空中所有可见物体的总和。这种从地球表面发射到大气中的光,几乎看不到从较暗的位置可见的微弱的恒星或任何扩展的物体(如星系或星云)。

您可能以为进入太空会解决此问题,但是这只会使您免于地球产生的光污染。实际上,太阳系还会产生光污染:黄道光。在整个太阳系中,都有少量的弥散行星际尘埃。它在大多数应用中起着微不足道的作用,但是当您尝试观察所有最微弱的事物时,这种微小的灰尘以及它反射的所有太阳光加起来会产生一个光背景,地球上的任何天文台,即使在地球周围的空间中,也无法忽略。

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您可以想象很多聪明的解决方法。您可以想象,等到哈勃深入到地球的影子圆锥体(太阳在那里是看不见的)的深处,再进行观察。但黄道光远不止是地球阴影的终结。这几乎没有效果。您可以在黄道平面(黄道光最暗)外面看得很好。即便如此,来自这种光的天空的“背景亮度”还是比所有银河系外光的总和还要亮约15倍。如果宇宙中有大量微弱、遥远的物体,哈勃实际上会在这种太亮的光背景下错过它们。

这是一个问题,因为我们要回答关于宇宙的一个关键问题:来自我们银河系之外的总光量是多少?而且,如果答案是“目前为止我们还不能测量的星系还多”,那么就会有一些后续问题:光从何而来,并局限于单个星系,还是其中一些?它从天空的各个方向扩散而来?

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如果我们留在太阳系中的同一位置,那只会是一种猜测。从我们目前的位置来看,我们无可救药地陷入了这片太阳系尘埃云中,该尘埃云在各个方向上都足够明亮,以防止我们就任何类型的“宇宙光学背景”得出基于数据的有力结论(相对于可能还存在来自宇宙大爆炸的宇宙微波背景)。这是不幸的,因为我们知道应该有比到目前为止确定的更多的东西,而且应该存在的那些光信号也被太阳系自身尘埃的污染影响所淹没。

但是,我们可以采取的一种绝妙的方法是,超越太阳系的大部分尘埃——超过行星、小行星,甚至超过大部分柯伊伯带的地平面——并测量现在的背景光量,即使黄道光的贡献变得微不足道。虽然它只配备了一个8英寸(20厘米)的相机,美国宇航局的新视野”(New Horizons)刚刚证明,它们能完成任务。

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这项由东德·劳尔、马克·波斯特曼和哈尔·韦弗领导的新研究,可以从太阳的各种距离、各种航天器方向和条件以及各种方向获取大量的高质量数据,因此能够消除大量的背景光贡献。相机噪音、散射阳光、多余的离轴星光、航天器推力的晶体和其他工具效果都被建模,并且消除了它们的影响。离银河系富尘平面太近的观测结果被排除,剩下的光被分成六个理论贡献:

我们可以识别的恒星和星系,尚无法识别的微弱恒星和星系,扩散由红外“卷云”散射的光,来自太阳系郊区任何残留灰尘的散射阳光,相机内部有多余的光线,以及迄今尚未发现的与宇宙无关的任何漫射宇宙光学背景。未知的恒星和星系(第2点)已知存在,并被认为对宇宙光学背景有重大贡献。弥散宇宙光(第6点)可能存在或可能不存在,但将独立于未识别的恒星和星系。

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现在,这里变得令人兴奋。在2016年的一项研究中,应该有2万亿个星系预期到,整个宇宙产生的总光将比我们迄今为止看到的星系大10倍左右。但这不是“新视野”(New Horizons)团队看到的;他们只看到了已知(和预期)星系产生的光的两倍。从某种意义上说,这令人放心,因为它使两个现在观察到的数量彼此之间的距离比我们预期的更接近。

但是多余的光是从哪里来的呢?假设“新视野”(New Horizons)团队在分析其工具和各种噪声源时没有出现任何重大错误(包括遗漏错误),则仍然有三种解释。

从理论上讲,我们本可以观测到天文望远镜在光谱的微弱末端时就已经错过了。另外,也可能是暗淡、弥散性更强或大量由暗物质为主的星系,这些星系不在我们最好的天文台所能及的范围之内,但确实会贡献星光。或者,也许只是其他非银河系的源头,例如流氓恒星,活跃的黑洞,甚至是加热得足够多的尘埃,都在宇宙尺度上产生大量的光。

新的研究表明,深空可能不完全黑暗

NASA的“新视野”(New Horizons)能够做到的事情是非凡的:通过查看他们收集的全套数据,他们可以得出宇宙从银河系发出的总光量。这种光的功率很小——每平方米空间只有几十纳瓦——但不可忽略。尽管我们希望所有的恒星和星系都在那里,但它们只能占我们现在观测到的总光量的一半左右。肯定有比我们知道的更多的光源。然而,这些来源到底是什么仍然是个谜。

近年来,许多独立的团队进行了分析,这些分析指向微弱、较小和遥远的星系,它们为整个宇宙预估贡献了大量的光,可能是已知星系的两倍。还有多少银河系外光可以扩散和远离。正如埃德温·哈勃(Edwin Hubble)自己说的那样,天文学的历史是地平线消退的历史。随着下一代天文台的到来,我们也许最终可以解决宇宙中的光真正来自何处的宇宙之谜。

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