科学家们已经前往太阳系的边缘，至少是为了捕捉到迄今为止最精确的测量结果，即弥漫在宇宙中的微弱辉光——一种被称为宇宙光学背景的现象。

这项新研究发表在8月28日的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上，它利用了美国宇航局(NASA)新视野号(new Horizons)航天器的观测结果，该航天器于2015年掠过冥王星，现在距离地球近55亿英里。该研究试图回答一个看似简单的问题，科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家迈克尔·舒尔说。

“天空真的很黑吗?”天体物理和行星科学系的名誉教授沙尔说。

在人类眼中，太空可能是黑色的，但科学家们认为，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和死亡，留下难以察觉的微弱光。把它想象成太空中的夜灯。

在巴尔的摩太空望远镜科学研究所的马克·波兹曼的带领下，沙尔和他的团队计算出了这种辉光的亮度。他们的发现表明，宇宙光学背景大约比到达地球表面的阳光暗淡1000亿倍——太暗了，人类无法用肉眼看到。

这些结果可以帮助科学家们了解大爆炸以来的宇宙历史。

“我们有点像宇宙会计师，把宇宙中我们能解释的每一个光源都加起来，”沙尔说。

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这张地图显示了空间中的区域，用圆圈和三角形标记，新视野号在这里测量了宇宙光学背景。该团队将航天器的LORRI仪器沿着地图的赤道指向银河系平面的上下，以避免来自银河系的光线。(资料来源:Postman et al.， 2024，《天体物理学杂志》)

进入黑暗

他补充说，这是一种数字运算，近50年来一直激发着科学家们的想象力。

Shull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进化的有了很好的了解。第一批星系形成于宇宙大爆炸后几亿年的“宇宙黎明”时期。来自遥远宇宙中星系的星光在大约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确认这幅宇宙图景是否有意义，或者是否有神秘的、尚未发现的物体将光投射到太空中。

然而，进行这种测量并不容易，尤其是在地球上。

地球的邻居充满了微小的尘埃颗粒和其他碎片。阳光在这团乱糟糟的东西上闪闪发光，洗掉了任何可能来自宇宙光学背景的信号。

“我用的一个比喻是，如果你想看星星，你需要离开丹佛，”舒尔说。“你必须走得更远，走到科罗拉多州的东北角，在那里你面前只有南达科他州和内布拉斯加州。”

“新视野”号给了科学家们一个千载难逢的机会，在太空中做类似的事情。

宇宙的会计

这项任务有着独特的科罗拉多起源。艾伦·斯特恩是科罗拉多大学博尔德分校的研究生，曾在舒尔和前高级研究员杰克·勃兰特手下学习，他是新视野号任务的负责人。他目前在科罗拉多州博尔德市的西南研究所工作。该航天器还携带了学生尘埃计数器，这是由科罗拉多大学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年夏天的几个星期里，研究人员将新视野号的远程侦察成像仪(LORRI)对准了大约24个天空斑块。

即使在太阳系的边缘，研究小组仍然有很多额外的光线需要应对。例如，银河系坐落在一个像太阳系一样聚集尘埃的光晕中。

“你无法摆脱灰尘，”沙尔说。“这是无处不在。”

他和他的同事们估计了光晕可以产生多少光，然后从他们用LORRI观察到的光中减去它。在去掉额外的光源后，研究小组只剩下了宇宙光学背景。

用科学术语来说，这个背景相当于每平方米11纳瓦。(地面点是天空的一小块，宽度大约是月球直径的130倍)。

Shull说，这个数值与科学家认为自宇宙大爆炸以来应该形成的星系数量非常吻合。换句话说，似乎没有任何奇怪的物体，比如奇异的粒子，在太空中产生大量的光。但研究人员不能完全排除这种异常。

该小组的测量结果很可能是很长一段时间以来对宇宙发光的最佳估计。“新视野”号正在利用剩余的燃料供应进行其他科学任务，目前还没有其他任务前往太空中寒冷而黑暗的角落。

“如果他们在未来的任务中放置一台相机，我们都等上几十年，我们就可以看到更精确的测量结果，”沙尔说。

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这项新研究的其他共同作者包括SWRI的艾伦·斯特恩和美国国家科学基金会国家光学红外天文学研究实验室的托德·劳尔。来自约翰霍普金斯大学应用物理实验室、德克萨斯大学圣安东尼奥分校和弗吉尼亚大学的研究人员也参与了这项研究。