从星光中读懂宇宙历史

作者: 阿尔贝托·多明格斯, 乔尔·R·普里马克, 特鲁迪·E·贝尔

来源: 环球科学

发布日期: 2015-07-01

本文探讨了天文学家如何通过分析宇宙中的背景光(EBL)来解读宇宙的历史,特别是通过观测耀变体发出的γ射线与EBL光子碰撞后减弱的现象来测量EBL。文章还讨论了宇宙背景辐射的组成和测量挑战,以及EBL在宇宙学研究中的重要性。

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。夜空看起来是黑暗的,但它实际上充满了宇宙历史上存在过的所有星系所发出的光。这种河外背景光(EBL)难以探测。因为它分散于正在膨胀的宇宙中,而且会被近邻的明亮天体所掩盖。

通过观测耀变体这类遥远而明亮的星系,分析它们发出的γ射线与河外背景光的光子碰撞后减弱的现象,天文学家终于可以测量出河外背景光。用这种方法研究河外背景光使得科学家能够阅读这些光所记录的宇宙历史。

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?

19世纪20年代,德国天文学家威尔海姆·奥伯斯(Wilhelm Olbers)就思考了这个问题,后来,这个谜题被称为奥伯斯佯缪。从那时开始,天文学家和哲学家在数个世纪中一直在思索:为什么夜空是黑暗的?而这种黑暗又表明宇宙具有什么样的性质?事实证明,这些学者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。

这里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,它囊括了从紫外到远红外的所有波段,从宇宙诞生到现在的所有时间的光。来自遥远星系的EBL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。因为宇宙正在膨胀,所以星系在宇宙的漫长历史中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应该存在河外背景光,却一直无法精确地测量。在2012至2013年间,使用费米γ射线望远镜和名为大气切伦科夫望远镜的地基高能γ射线探测器的数据,本文作者多明格斯、普里马克等研究者首次准确测量出了河外背景光。

有趣的是,因为绝大部分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——在宇宙不同时期,恒星是如何形成的。实际上,EBL的测量能帮助我们探索从古至今的星系演化。最终,这或许可以让我们研究130亿年之前的第一代星系——这些星系的光太暗了,没办法用当前的望远镜进行直接观测。

宇宙背景辐射奥伯斯佯缪在20世纪60年代之前主要还是一个哲学问题。那时,跨越整个电磁波谱的精彩天文发现正在将宇宙学由单纯的猜测变为一门有坚实观测基础的科学。研究者发现了一系列奇特的河内及河外天体。逐渐变得清楚的事实是,河外空间中的光子向四面八方飞奔着,它们组成的稀薄光子“气体”充盈着整个宇宙。这些光子有各种频率——换句话说,有各种能量(短波长对应较高频率和能量;长波长对应较低频率和能量)。

这种“气体”包括EBL,还有其他在各个方向都能看到的辐射场。其中最亮的是源于大爆炸的宇宙微波背景辐射(CMB)。1965年,阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·W·威尔逊(Robert W. Wilson)在AT&T的贝尔实验室工作期间发现了CMB,他们为此获得了1978年诺贝尔物理学奖。另一种辐射场,河外弥散X射线背景于20世纪60年代由探空火箭发现。

在20世纪60年代末期,一个轨道太阳天文台发现了更高能的γ射线背景辐射。

EBL——包含了近紫外、可见光和红外光的宇宙背景辐射——能量和强度仅次于CMB。然而,和CMB不同,EBL的成分并不都是同时产生的。相反,它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。实际上,由于不断有新的恒星诞生并发光,时至今日EBL仍然在增长。

通过望远镜收集光子直接测量EBL,就像是试图在纽约时代广场明亮的剧院和摩天大楼之间观测暗淡的银河。在可见光和红外波段,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。对于直接观测EBL而言更糟糕的是,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,黄道光非常明亮,甚至可能被人误认为黎明的曙光。而且,黄道光的波长和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。

在2000年,加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的皮耶罗·马道(Piero Madau)和意大利博洛尼亚天文台的露西娅·波泽蒂(Lucia Pozzetti)计算了哈勃空间望远镜探测到的星系所发出光的总和。(记住,EBL是自近紫外到红外波段所有的光,既包括容易测量的明亮星系发出的光,也包括我们的望远镜难以看到的暗淡星系的光。

)不过这项研究没有包括过暗的星系或其他可能的光源,这意味着它给出的只是EBL在各个波段亮度的下限。

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