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『每日一普』从星光中读懂宇宙历史

时间：2016-1-4 11:17作者：update 阅读(1950) 评论: 5

导读：夜空为什么是黑暗的？如果宇宙中有数十亿个星系，每一个星系都包含数十亿颗恒星，而这些恒星在数十亿年中持续发光，那么，为什么宇宙没有淹没在炫目的强光中呢？这就是著名的“奥伯斯佯谬”。天文学家在数个世纪中一 ...

撰文：阿尔贝托·多明格斯（Alberto Domínguez）乔尔·R·普里马克（Joel R. Primack）特鲁迪·E·贝尔（Trudy E. Bell）

翻译：钱磊

本文作者乔尔·R·普里马克是加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的杰出荣誉退休物理学教授，他是现代宇宙学、暗物质和星系理论的主要开创者。

自古至今，所有星系中的所有恒星发出的光汇聚成了弥漫整个宇宙的背景光。现在，天文学家正从这些光中阅读宇宙的历史。

夜空为什么是黑暗的？如果宇宙中有数十亿个星系，每一个星系都包含数十亿颗恒星，而这些恒星在数十亿年中持续发光，那么，为什么宇宙没有淹没在炫目的强光中呢？这就是著名的“奥伯斯佯谬”。天文学家在数个世纪中一直在思索：为什么夜空是黑暗的？这种黑暗又表明宇宙具有什么样的性质？事实证明，他们意识到了一些真正深刻的问题。

宇宙中大多数的光是我们无法轻易看到的。即使在远离地球和银河系恒星光照的深空中，星系际空间的天空也不是完全黑暗的，而是存在所谓的河外背景光（EBL）。EBL由曾经存在过的所有恒星和星系发出的所有光子组成，它囊括了从宇宙诞生到现在的所有时间的光。它是暗弱的，因为相对于发光（或曾经发光）星系的数量，星系外的空间是极为辽阔的。宇宙正在膨胀，所以星系发出的光子散布到了空旷的空间中，从而被稀释了。并且，因为这种膨胀，来自遥远星系的光发生了“红移”——波长变长，靠近电磁谱的红端，离开了可见光波段。

天文学家早已意识到存在河外背景光，却一直无法精确地测量。在2012至2013年间，本文作者使用费米γ射线望远镜和大气切伦科夫望远镜，首次准确测量出了河外背景光。绝大部分EBL来自恒星，要么是它们直接发出的星光，要么是尘埃被恒星加热后发出的波长更长的光，所以背景光相当于一份来自远古的记忆——能帮助我们探索从古至今的星系演化。

宇宙背景辐射

20世纪60年代，研究者发现了一系列奇特的河内及河外天体，河外空间中的光子向四面八方飞奔着，它们组成的各种频率的稀薄光子“气体”充盈着整个宇宙，这种“气体”包括EBL，还有其他在各个方向都能看到的辐射场。EBL是在数十亿年的时间里积累起来的，始于大爆炸大约2亿年后第一代星系的第一代恒星的形成。由于不断有新的恒星诞生并发光，时至今日EBL仍然在增长。

在可见光和红外波段观察EBL会受到很多干扰。地球身处一个包含大量恒星和发光气体云的极为明亮的星系中，这些天体发出的光会盖过河外背景光。更糟糕的是，地球位于采光极佳的太阳系中：近地轨道上的尘埃所散射的太阳光形成了黄道光。在一年中的某些时候，黄道光会非常明亮，而且，其波长也和EBL类似。

当暗弱的EBL光子被淹没在亮得多的太阳系和银河系的光芒中，天文学家还有希望分离、捕捉和证认它们吗？没有。地面和空间的望远镜从未令人信服地直接测量出EBL。因此，要突破极限——真正测量河外背景光的亮度——天文学家需要采用其他方法。

河外背景光（EBL）由曾经存在的所有星系发出的所有光组成。它自第一代恒星和星系形成之时（大约是大爆炸后2亿年）就开始不断积累，新的星系一直在为它添砖加瓦。

光与光的碰撞

早在20世纪60年代，研究者就开始考虑通过EBL与其他更容易看到的光的相互作用寻找它们。事实证明，高能γ射线可以与低能光子，例如可见光波段的星光碰撞，产生一个电子和一个正电子。一些天文学家开始思考，利用来自遥远的宇宙源的高能γ射线在飞向地球的途中与低能的EBL光子的碰撞，探测出γ射线的衰减程度，那么就有可能揭示EBL的组成。

1992年，康普顿γ射线天文台上搭载的美国航空航天局的高能γ射线实验望远镜发现了一种新的γ射线源。这些源被称为耀变体（blazar）：中心含有超大质量黑洞的星系，其发射γ射线的强喷流正好指向地球，就像手电筒的光束一样。这些喷流发出的γ射线能量高得惊人，可以达到数十亿电子伏（几个GeV），大约是医用X射线能量的1亿倍。这一强大γ射线源的发现让普里马克不禁好奇：在更遥远的宇宙深处是否可能存在类似的TeV能量耀变体，它们能否用于探测EBL。

2013年，多明格斯、普里马克和其他合作者整理了美国航空航天局的6个空间望远镜和数个工作在不同波段的地基望远镜的数据，通过观测不同距离上的耀变体发出的不同能量范围的γ射线，最终找到了EBL留下的印记，测量出了EBL。

河外背景光难以直接探测，因为它比前景上的太阳系和银河系暗得多。但是当来自遥远天体的γ射线（虚线）与EBL 光子碰撞时，它们能产生一个电子及正电子。基于这个现象，研究者通过观测EBL 对耀变体γ射线的吸收来测量它。

回顾过去的窗口

探测EBL是观测天文学中最艰巨的挑战之一——捕捉这种暗弱而弥散的信号需要协调全世界的望远镜和研究者同时对极遥远的天体进行观测。关于星系形成，我们仍有很多基本的问题需要解答，比如，不同演化阶段的星系中大质量恒星有多常见？在宇宙的不同时期，星系中形成的恒星数目有何变化？不同距离的耀变体发出的γ射线穿过了总量不同的EBL，科学家想知道，它们能否打开一扇扇窗口，让科学家研究宇宙中各个恒星形成时期。

我们测量的EBL光谱显示出，在恒星形成的巅峰期（“宇宙正午”，80亿到120亿年前），EBL光谱上有两个凸起：一个代表了来自恒星的紫外和可见光，另一个更大的凸起出现在波长较长的远红外波段，这第二个凸起看起来是源于尘埃。我们知道，爆发的恒星产生了包裹并遮蔽恒星形成区的尘埃，在“宇宙正午”，尘埃吸收了大部分星光并在红外波段把能量重新发射出来。EBL为我们提供了一种方法来研究这种被尘埃遮蔽的星系在这一时期到底有多常见，而对于理解地球这类岩质行星的形成规律，这是一个很重要的因素，因为岩质行星含有大量宇宙尘埃。

展望未来

未来的EBL研究能为我们提供宇宙更早时期的信息。如果我们能扩展对EBL的观测，把更高红移的γ射线源也包括进来，那么天文学家就能研究宇宙在大爆炸后的第一个10亿年中是怎样发生再电离的（当时，来自第一代恒星的紫外线剥离了氢原子上的电子）。目前，正在设计的国际切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）的主要任务，就是研究上述问题。这个项目将在南、北半球各设一个台址，建造全新的大型望远镜阵列。在我们更好地理解和量化EBL之后，我们就能扣除掉它对耀变体和γ射线暴的观测的影响，从而更全面地认识这些奇特天体自身的性质。

我们现在知道了奥伯斯佯谬的答案：夜空不是黑暗的；相反，它被所有曾经存在过的星系的光辉照耀着，只是这些光辉难以探测。一直以来，超新星在爆发，气体云在发光，新的恒星在形成，它们的光最终都会汇入到那充满了宇宙每一寸空间的背景辐射中去。

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