夜空有多黑？新视野号观测下的宇宙

sosoyoyo

2015年7月，NASA发射的新视野号成为历史上第一个近距离对冥王星进行探测的探测器。接着，在2018年12月31日，该探测器首次邂逅了一个名为Arrokoth（编号为2014 MU69）的柯伊伯带天体。同时新视野号在外太阳系的独特位置能帮助天文学家进行罕见而有益的科学研究。

这包括对距离太阳系最近的两个恒星比邻星和沃夫359进行视差测算。另外，由美国国家光学天文台(NOAO)和美国西南研究院(SwRI)带领的天文学家团队运用探测器的远程勘测成像仪获取的档案数据对宇宙光学背景进行了测量。这项由美国西南研究院的Tod R. Lauer主导的研究成果近期在《天体物理学》杂志上发表。
Alan Stern(新视野号任务的首席研究员)和分别来自美国西南研究院、美国国家航空航天局、约翰霍普金斯大学应用物理实验室、空间望远镜研究所、月球与行星研究所、外星智能搜寻研究所以及多家高校的研究者们均参与了此项研究。

仅在我们的星系中就可能有数万亿的流浪行星，它们甚至可能被驱逐到星际空间。简而言之，宇宙光学背景是来自银河外所有的光在整个可观测的宇宙中扩散传播。从这个意义上来说，相当于宇宙微波背景下的可见光模拟。同时，它也是天文学家使用的重要基准。通过测量这种光，天文学家可以识别恒星的位置，星系的大小和密度，还有验证有关宇宙结构及其成因的理论。

很多原因表明精确地测量宇宙光学背景很重要。这一背景对恒星成因的来历、星团、黑洞、星系团以及宇宙的大尺度结构不可或缺。因此，准确地知道夜空有多黑可以深刻理解宇宙的成因及演变。

此外，COB（dCOB）是一种与目前已知天体无关的光子来源。天文学家们正试图确定其中是否存在漫反射成分。这种成分的存在将使天文学家能够测试宇宙背景光中的物质来自宇宙低密度区域的可能性，或在宇宙形成当前状态前形成的物质。

dCOB同时也是一个可以反映出更多奇异过程所产生的光子，就比如它可以反应暗物质粒子的消失或衰变。因此它对于对正在进行的"不可见 "质量的搜索有一定的帮助。但遗憾的是，因为地基望远镜会受到大气畸变的影响，空基望远镜需要处理黄道光的干扰，这类研究的进行出现了许多的挑战。
所以，随着时间的推移，光学背景下推测出的亮度会出现严重的差异。但这对于在太阳系外的航天器来说，并不存在这类干扰问题。因此，这就是天文学家为什么一直依赖先前先锋者10号/11号和旅行者1号/2号越过海王星的任务来进行COB测量。

与此同时，哈勃空间望远镜也对COB进行了测量，但与新视野号的结果相比，能够证明的测量结果十分有限。Lauer（Hubble Wide Field和Planetary Camera team的团队成员）通过电子邮件告诉《今日宇宙》："NH可以清晰灵活的地测量从遥远宇宙发出的总光通量。哈勃望远镜在汇总所有远距离星系方面的能力是超强的，但对于那些不属于星系的物体就不那么擅长了，这些星系构成了一个漫射背景，它会与被近地环境中的尘埃反射的散射阳光缠在一起。“
值得关注的是，这并不是天文学家第一次使用LORRI数据来测量COB。2017年，NASA领导团队检查了2007年至2010年间四个不同且独立的天域的LORRI数据。这些数据与NH在木星和天王星的轨道之间的巡航阶段相吻合。

这项工作中用到的七个洛里场的位置。图片来源：劳尔, 托德, R. （等）
为了进行这项研究，劳尔和他的团队研究了新视野号长距离探测成像仪在距离太阳42到45个天文单位远处观测的七个高银场的光强。在这个距离上，平均原始光强比哈勃观测到的要暗十倍。在校正了其他干扰之后，该团队利用蒙特卡洛模拟对潜在光源进行建模。
由此，他们能够辨别出未知来源的弥散分量的存在，这可能是未被发现的暗星系所致。正如劳尔和他的同事们得出的结论，这表明当前关于暗星系的普查不足，至少有一半视星等30甚至更高的暗星系下落不明。

近年来，这并不是第一次不得不修改星系普查。基于哈勃深空观测活动，天文学家创建了详细的宇宙3D地图，并由此估计出可观测宇宙中有2000亿个星系，直到几年前，他们仍然是这么认为的。但根据2016年的修正计算，天文学家现在估计可观测宇宙中有多达两万亿个星系，很显然，他们可能需要再次更新计数了。
无论如何，劳尔和他的同事们的工作证明了像新视野号这样的任务的实用性以及他们可以进行的太阳系外的研究。

相关知识
哈勃超深视场（HUDF）是天炉座中一小块区域的图像，其中包含约10000个星系，最初的版本是由哈勃望远镜从2003年9月24日到2004年1月16日累计的数据合成的。它被用来找寻大约130亿年前（宇宙大爆炸后400年至8亿年）存在的星系。这张图片是在明亮恒星密度较低的区域拍摄的，这样可以更好地观察更暗、更远的物体。在2009年八月到九月，哈勃望远镜使用最新安装的宽视场相机3（WFC3）的红外通道在更长的波段（1.0至1.6微米）观察HUDF，与现有数据结合后，天文学家能够确认一个可能非常遥远的星系的新列表。
作者：MATT WILLIAMS
FY：Astronomical volunteer team
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