NASA"新视野号"帮助天文学家揭示宇宙的真实光辉

美国国家航空航天局（NASA）的"新视野"号宇宙飞船在深空背景下的艺术印象。新视野号距离地球超过 54 亿英里（约合 73 亿公里），它正在穿越太阳系的一个区域，这个区域远离太阳，为任何现有望远镜提供了最黑暗的天空，也为测量遥远宇宙的整体亮度提供了一个独特的有利位置。背景是我们的银河系。图片来源：NASA、APL、SwRI、Serge Brunier（ESO）、Marc Postman（STScI）、Dan Durda

科学家们来到了太阳系的边缘，至少是在实际上，捕捉到了迄今为止对弥漫宇宙的微弱光辉--一种被称为宇宙光学背景的现象--最精确的测量结果。

这项新研究利用了美国国家航空航天局（NASA）"新视野"号宇宙飞船的观测数据。"新视野"号宇宙飞船于2015年飞越冥王星，目前距离地球近55亿英里。这项研究于8月28日发表在《天体物理学报》（The Astrophysical Journal）上，旨在回答一个看似简单的问题，共同作者、中大博尔德分校的天体物理学家迈克尔-舒尔（Michael Shull）说。

天体物理和行星科学系名誉教授舒尔问道："天空真的很黑吗？"

在人类眼中，太空可能是漆黑一片，但科学家们相信，太空并非完全黑暗。自宇宙诞生以来，包含无数恒星的数万亿个星系形成并消亡，留下了难以察觉的微弱光线。可以把它想象成太空中的夜光。

舒尔和巴尔的摩太空望远镜科学研究所的马克-波斯特曼领导的研究小组计算出了这种光的亮度。他们的研究结果表明，宇宙光学背景大约比到达地球表面的太阳光暗1000亿倍--人类用肉眼根本无法看到。这些结果可以帮助科学家揭示宇宙大爆炸以来的历史。

舒尔说："我们有点像宇宙会计师，把宇宙中我们能解释的所有光源加起来。"

新视野号测量宇宙光学背景的空间区域图，用圆圈和三角形标出。研究小组将飞船的 LORRI 仪器指向银河系平面的上方和下方，沿着地图的赤道，以避开银河系的光线。图片来源：Postman 等人，2024 年，《天体物理学杂志》

这种数字运算近 50 年来一直吸引着科学家的想象力。舒尔解释说，经过几十年的研究，天体物理学家认为他们对宇宙是如何演化的已经有了相当的了解。第一批星系形成于宇宙大爆炸后几亿年的"宇宙黎明期"。遥远宇宙中的星系发出的星光在大约 100 亿年前达到了最亮的点，此后一直在变暗。对宇宙光学背景的精确测量可以帮助科学家们确认宇宙的这幅图景是否有意义，或者是否有尚未发现的神秘物体向太空投射光线。

然而，进行这类测量并不容易，尤其是从地球上进行测量。地球附近充满了微小的尘埃和其他碎片。太阳光从这些乱七八糟的东西上闪过，冲淡了任何可能来自宇宙光学背景的信号。

舒尔说："我的一个比喻是，如果你想看到星星，就必须离开丹佛。你必须走得远远的，就在科罗拉多州的东北角，你的前方只有南达科他州和内布拉斯加州。"

而新视野号为科学家们提供了一个千载难逢的机会，在太空中做类似的事情。

这项任务具有独特的科罗拉多渊源。艾伦-斯特恩（Alan Stern）是中大博尔德分校的研究生，师从舒尔和前高级研究员杰克-勃兰特（Jack Brandt）。他目前在科罗拉多州博尔德的西南研究所工作。飞船还携带了学生尘埃计数器，这是由中大博尔德分校大气与空间物理实验室（LASP）的学生设计和制造的仪器。

在 2023 年夏天的几周时间里，研究人员将新视野号的远程侦察成像仪（LORRI）对准了大约二十多块天空。

即使在太阳系的边缘，研究小组仍然要面对大量的额外光线。例如，银河系位于一个光环之中，和我们的太阳系一样，这个光环也会聚集尘埃。

"灰尘无处不在，"舒尔说。他和同事们估算了光环可能产生的光量，然后将其从他们用 LORRI 观测到的光量中减去。剔除额外的光源后，研究小组只剩下宇宙光学背景。

从科学角度来说，该背景辐射量约为每每平方米球面度 11 纳瓦。（球面度是指天空中一块宽度约为月球直径 130 倍的天区）。

舒尔说，这个数值与科学家们认为自宇宙大爆炸以来应该形成的星系数量完全吻合。换句话说，太空中似乎没有任何奇怪的物体，比如奇异的粒子，会产生大量的光。但研究人员并不能完全排除这种异常现象。

研究小组的测量结果很可能是很长时间以来对宇宙光辉的最佳估计。新视野号"正在利用其剩余的燃料补给进行其他优先科学任务，目前没有其他任务正朝着太空中那些寒冷而黑暗的角落进发。如果他们在未来的任务中安装一台照相机，我们再等上几十年，就能看到更精确的测量结果了。

编译自/ScitechDaily