尘埃3 存档 天文学家发现宇宙中恒星和星系之间的历史空间
事实证明，天色并没有想象中的那么黑。 ”
请想象一下，您躺在床上，关掉灯，拉上遮光窗帘，准备睡个好觉。 然而，即使所有的光源都关闭了，房间里依然充满了光芒。 这光芒从何而来？
这就是天文学家发现的谜团，他们的“房间”就是整个宇宙。 即使在灯光关闭后（也就是说，考虑到所有可能影响测量的光源），美国宇航局新视野号（New）航天器上的远程侦察成像仪（LORRI）仍然可以观察到可见光。
一些发光是可以预料的。 与大爆炸的残余辐射不同，天文学家预计这种辉光是来自不同光源的背景混合，例如昏暗和遥远的恒星和星系。 由于相机无法单独检测到最微弱的光线，因此这些光结合起来形成河外背景光（EBL）。
天文学家对河外背景光的发现并不感到惊讶——事实上，他们花了几十年的时间寻找它。 真正令人惊讶的是它的亮度。 使用远程测量成像仪，研究人员发现背景辉光是模型预测的两倍。 如果结果成立，它们可能最终揭示宇宙中恒星和星系的历史。
之间的空间| 一些天文学家发现，在恒星和星系之间的空间中，存在一种微妙的辉光（在图像中不可见），这种辉光无法用遥远的恒星和星系（因此无法解析）来解释。 这个背景光的来源是什么？
/黄道光的明亮天空
河外背景光长期以来一直难以探测，因为有太多前景光需要关闭。 其中最亮的是黄道光，它是由尘埃将阳光散射到整个内太阳系平面（木星轨道内）引起的。 黄道光对于地球上的观察者来说是肉眼可见的，至少在黑暗的天空下是可见的，所以它比宇宙中任何背景辉光都要亮也就不足为奇了。
这并不是说天文学家没有试图透过那层明亮的面纱来窥视。 在 2002 年至 2007 年间发表的一系列研究论文中，丽贝卡·伯恩斯坦（现供职于卡内基科学研究所）使用哈勃太空望远镜的数据试图捕捉背景辉光。 然而，最终这些测量仅给出了河外背景光亮度的有限范围，而没有实际检测到它。
虽然这些发现仍然存在争议，但其他测量似乎确实检测到了河外背景光。 其中一些来自宇宙红外背景实验（CIBER），该实验进行多次探空火箭飞行来测量地球大气层上方的近红外天空。 日本关西学院大学的松浦修二和他的同事利用宇宙红外背景实验的光谱仪数据，在2010年和2013年的两次飞行中寻找红外波段的河外背景光。他们发现，无论如何模拟黄道光，他们仍然发现了比预期更多的河外背景光，尽管结果可能仍然存在较大误差。
另一种测量河外背景光的方法有一个令人惊讶的来源：伽马射线。 我们知道这种高能光子与可见光和红外光相互作用并在此过程中消失。 因此天文学家所做的就是测量来自遥远、明亮的伽马射线源（称为耀变体）的光。 当伽马射线向地球传播时，它们会与路径中的可见光和红外光子纠缠在一起。 通过估计沿途损失了多少伽马射线，可以间接测量河外背景光。 一些测量结果没有发现额外的光线，另一些则留下了解释的空间。
面膜| 寻找背景光的第一步是去除恒星和星系的光。 底部图像与顶部图像是相同的远程巡天成像仪图像，但应用了遮罩以消除恒星和星系的光线。 由视场外的明亮恒星引起的图像中心的光学重影也被遮盖掉了。
/去远方寻找黑暗
这就是当新玩家远程测量成像仪进入场景时会发生的情况。 2015 年，新视野号将成像仪带到了冥王星，并于 2019 年将成像仪带到了柯伊伯带天体阿罗科斯，以拍摄外太阳系迷人的世界。 不过，美国国家科学基金会国家光学和红外天文学研究实验室的托德·劳尔、太空望远镜科学研究所的马克·波兹曼等人意识到，该相机可以用于不同的用途。 在前往太阳系外的过程中，新视野号探测器及其搭载的相机已经飞出了黄道尘埃的影响范围。 这类似于将床头灯移出想象的房间，而不是试图将其挡住视线。
劳尔、波兹曼和新视野号科学团队的其他成员正在领导两项研究，分别于 2021 年和 2022 年使用选定的远程巡天成像仪图像来寻找河外背景光。 他们找到了。 他们的观察结果的显着性水平超过了 10 sigma，换句话说，测量结果是侥幸的可能性几乎为零。 研究小组观测到的河外背景光非常明亮，在每平方米每球面度 14.9 到 17.8 纳瓦之间（该单位表示单位面积来自天空并落在单位面积探测器上的功率，以下简称 nW/m2） /sr）。 结果大约是暗淡、未分辨的恒星和星系预期亮度的两倍。
即使没有黄道光的影响，这个计算中也有很多因素抵消了恒星和星系的总光。 首先，团队从图像中删除了实际检测到的物体。 然后，他们消除了远程巡天成像仪视野之外恒星和星系周围微弱光晕的影响。 研究小组还减去了银河平面附近尘埃的散射光以及光路或相机缺陷产生的光。
剩余的光应该来自微弱的、未解析的光源，主要是星系。 但根据使用哈勃观测的星系计数，微弱的星系应该只贡献 8 nW/m2/sr 的光，只能解释远程巡天成像仪检测到的河外背景光的大约一半。
波兹曼说，他的第一反应并不是对这一发现感到兴奋，而是“我们错过了什么？” 研究人员立即检查了除恒星和星系之外的所有可能的光源。 毕竟，波兹曼补充道，“我们正在以我们从未想象过的方式在新视野号上使用远程侦察成像仪相机。” 团队全力以赴。 研究人员检查了探测器内部和外部的潜在噪声源。 他们甚至检查了新视野号核动力源的辐射是否产生切伦科夫辐射的可见光“火花”。 没有火花，多余的光似乎有一个天文来源。
大约在同一时间，美国罗切斯特理工学院的研究生 正在她的博士论文中利用RSI数据进行一项独立研究。 Lauer 团队的 2022 年工作使用了一组 16 个目标图像，而 从完整的远程测量成像器档案中选择了数据，总共 529 个图像，包括一些质量较差的图像和一些新视图。 这张照片是在航天器仍在途中、刚刚经过木星轨道后拍摄的。
对数据进行了广泛的分析，花了几年的时间，但问题并没有得到解决。 最终，西蒙斯的河外背景光团队检测到的亮度比劳尔团队测量的还要亮——19.4 至 24.6 nW/m2/sr。
为什么使用同一相机的数据进行的两次分析会产生如此不同的结果？ 答案又是尘埃——这一次是我们银河系中的尘埃。 就像渗透到太阳系内部的黄道尘埃一样，沿着银道面发现的尘埃也会散射星光。 这种银河光比黄道光要暗得多，而且与黄道光不同，我们不能简单地飞离银河系来避开它。 估计散射光亮度的方法有很多种，不同的方法会给出不同的答案。 西蒙斯和劳尔的团队采用了不同的方法。 虽然他们的结果的确切数字并不完全相同，但两个团队都发现了他们无法解释的额外背景光。
太空有多暗？ |该图显示了尝试测量可见波长的河外背景光的一些代表性示例。 令人惊讶的是，最近对新视野号图像（蓝色圆圈）的分析表明，来自微弱、未分辨的恒星和星系（蓝色实线）的总背景光比预期更亮。 其他直接测量由灰色方块、菱形和圆形表示。 与此同时，来自伽马射线观测的一些间接测量（灰色阴影）发现与未解析的源一致的背景，而使用较少假设的类似数据的其他模拟导致更大的不确定性（浅绿色阴影）。 在某些情况下，特别是在黄道光如此明亮的地球附近，无法获得明确的检测值，只能获得背景亮度限制，这些上限由向下的箭头表示。
/光从哪里来？
最容易找到的罪魁祸首可能是微弱的星系。 利用哈勃深场图像，天文学家计算出了相对于明亮星系来说应该有多少暗淡星系。 但是，如果这个数字错误怎么办？ 事实上，2016年，现就职于英国曼彻斯特大学的克里斯托弗·康塞利斯（ ）发现，哈勃的各种深场实际上并没有发现所有微弱的星系。
然而，距离会影响波长观测。 远程勘测成像仪可以看到大爆炸后 10 亿年（即红移小于 6）的星系的可见光。 然而，前面提到的许多哈勃失踪星系距离要远得多。 当光穿过膨胀的宇宙时，它会失去能量，转向红外波长并变红，只留下少量可见光波段的光子。 韦伯太空望远镜（JWST）将能够捕捉到这些遥远的星系，但远程巡天成像仪（一种可见光成像仪）永远不会看到它们或它们发出的光。
额外的光可能来自距离不太远的微弱星系。 但当亚利桑那州立大学的达比·克莱默试图测试这种可能性时，她发现即使哈勃错过了一些附近的微弱星系，他们也无法解释为什么它们还在那里。 一些额外的光。
劳尔承认，仅靠星系很难解决这个问题。 他认为一些额外的光也可能来自丢失的恒星。 当星系碰撞时，恒星会受到附带损害，一些恒星会被抛入星系际空间。 也许有足够的杂散星星来解释额外的背景光。
恒星和星系之外的选择更加奇特。 一些研究小组认为，仍然只存在于理论上的暗物质粒子——轴子或类轴子粒子——可能会通过衰变成光子而对背景光做出贡献。 不过，尽管天文学家不愿意排除这种可能性，但他们似乎并不急于加入这一特殊的潮流。 “它现在在名单上的位置相当靠后，”波兹曼说，“但它在名单上。”
就劳尔而言，他并不主张任何特定的解决方案。 他认真地问道：“会不会是一只巨大的发光乌贼？嗯，你知道，也许，我们从来没有去过那里。也许那里有巨型乌贼。”
另一种可能性是额外的光根本不存在。 尽管测量结果具有统计显着性，但这并不意味着它是真实的。 劳尔和西蒙斯的球队可能都遗漏了一些东西。
光源| 该堆叠条形图显示了 Lauer 及其同事在 2022 年测量的新视野号视场中的各种光源对额外背景光的贡献。在此视场中测量的背景光（顶部的蓝色十字标记）超过了所有已知贡献，这意味着额外的未知光源（背景光测量值和已知光源在上方和下方十字标记处的预期值，两条破折号代表这两个值的可能范围）。
亚利桑那州立大学的罗吉尔·温德霍斯特说：“我确信这是新视野号中的某种系统性偏见。”
运营着一个名为 的项目，这是对哈勃数据进行的最大的研究之一。 他与同事一起搜寻了这台标志性望远镜在过去三十年中拍摄的大量图像，寻找恒星和星系之间的光（在本例中为近红外光）。
哈勃有一些优点。 一是研究人员正在处理的图像数量非常大。 另一个是它可以解析大多数背景星系，而不是依赖模型来计算这些星系将产生多少背景光。 然而，它也有明显的缺点。 您不仅需要透过明亮的黄道光进行观察，而且哈勃望远镜的图像非常难以校准。
“哈勃每天经历 15 次日出和 15 次日落，这绝对是可怕的，”温德霍斯特说。 由此产生的热量波动会在哈勃相机中产生错误信号，并且很难衰减。 由于望远镜条件的变化，项目仅测量了河外背景光的上限，并且它们与之前的观测结果一致 - 包括新视野号的观测结果。
现在，温德霍斯特正在对韦伯望远镜的观测应用相同类型的分析，由于其遮阳罩，韦伯望远镜根本不会经历日出或日落。 最新的分析仅基于几个月的观察，迄今为止仅得出了一个广泛的上限。 更多的图像和韦伯望远镜的校准将有助于最终确定这个上限。
尽管温德霍斯特对此持怀疑态度，但他承认远程巡天成像仪的位置使新视野号科学团队比哈勃和韦伯有优势。 “它们完全超越了黄道光，这是独一无二的，”他说。 “他们正在进行一项伟大的实验。
/调查
就像天文学中许多令人着迷的问题一样，太空中无法解释的亮度仍然是一个悬而未决的问题。 但天文学家并非束手无策。
当新视野号继续在太阳系外飞行时，其远程侦察成像仪相机仍在拍照。 劳尔和其他人要求新视野号扩展任务提供有针对性的图像，以帮助他们更好地解释甚至消除银河尘埃的影响。 这些图像还将帮助他们回答新的问题，例如背景辉光本身是否在天空中发生变化，这反过来又有助于天文学家了解其起源。
韦伯望远镜也是一颗很有前途的恒星，不仅在测量河外背景光方面，而且在测试微弱星系图像方面。 虽然韦伯望远镜看不到可见光，但其锋利的红外仪器或许能够告诉我们附近宇宙中是否存在比预期更多的微弱星系。
最终，您最好的选择可能是自定义工具。 哈勃远程巡天成像仪和韦伯望远镜都不是专门为探测微弱的河外背景光而设计的。 专门为此目的而设计的星际探测器上的相机会做得更好，尽管这种探测器可能还需要几十年的时间。
另一个近期选择是在其他星际任务中放置相机（或使用现有探测计划中的相机）。 NASA 的 探测器定于 2024 年 10 月发射，目标是木星系统，将携带类似于远程勘测成像仪的可见光相机。 它将飞越大部分黄道光，并为河外背景光提供新的视角。
与此同时尘埃3 存档，宇宙中额外光的秘密仍然是个谜。
——译自《天空与望远镜》杂志2023年10月号
关于作者/
《天空与望远镜》杂志的新闻编辑莫妮卡·杨想知道需要多少“宇宙乌贼”来解释额外的背景光。
译者简介/
宋乔，博士。 在天体物理学中。 他的研究重点是太阳活动和太空天气。 合译《太阳全书》、《云的真相》、《纸质天文馆》等科普书籍。
