夜空星光几许?科学家数出了宇宙中的所有光子!

温州信息 2019-07-16

20世纪之前,天文学家被一个似乎不难回答的问题困住了:为什么夜空是黑暗的?

如果无限的宇宙像天文学家原本假定的那样,拥有无限数量的恒星,那么我们看到的夜景应该沐浴在星光之下才对。最终,当天文学家明白宇宙并非无休无止时,他们找到了这个问题的答案,即所谓的“奥伯斯佯谬”。我们有限的宇宙,即便拥有亿万恒星,那些恒星也不足以照亮夜空。最重要的是,宇宙正在快速膨胀——事实上,宇宙自诞生伊始就在不断膨胀——恒星都在远离彼此,并逐渐消失在黑暗中。

对于我们周围的恒星环境,埃德加·爱伦·坡(Edgar Allan Poe)在1848年的散文诗作《我发现了》(Eureka)中,做了最好的描述:

如果分布在空间的星体无穷无尽,那么整个天幕都应该像银河一样熠熠生辉——因为整个天幕绝对不可能有哪个点上不存在星体。所以,在星体有限的情况下,我们方可理解,为什么我们的望远镜会在各个方向都发现空白。解释的唯一方法,就是假设空白处的天幕太远,从那里发射出的光迄今还没有到达我们这里。

能够成功抵达地球的星光非常微弱,天文学家估计,那些光线的亮度相当于我们从大约4公里之外,遥看一盏四周全黑的60瓦灯泡,也就是那种常见于家用灯具的灯泡。

毫无疑问,这种微弱的光芒与恒星真正的亮度,根本无法相比。


夜空星光几许?科学家数出了宇宙中的所有光子!


可观测宇宙中至少有2万亿个星系,而每个星系都拥有数以百万计的恒星。现在,天体物理学家已经计算出整个可观测宇宙历史上发出的所有星光。宇宙的年龄大约是138亿年,科学家表示,他们的测量可以回溯至最初的10亿年,当时第一批恒星刚刚开始在宇宙出现,它们就像是在热油中爆开的爆米花。

他们的研究成果已发表在近日的《科学》杂志上。

科学家估测,自宇宙诞生的第一个10亿年以来,恒星发射到可观测宇宙中的光子总量(正是这种粒子构成了可见光),约为4×10的84次方 ,把这个数字写出来就是:4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, 000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000个光子。

看到这么多的0,一般人几乎无法对这样惊人的数字形成概念,所以,天体物理学家拿太阳做了一番比较:太阳每年发出的光子大约有 3×10的52次方个,也就是30,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, 000,000,000,000,000,000个光子。

你也许已经从这一长串0中猜到了,测量整个可观测宇宙的星光不是一件容易的事。天文学家需要借助太空中的强大望远镜,在那里,仪器拥有开阔的视野,而且不受地球大气层的干扰。他们需要哈勃那样的太空望远镜,后者经过近30年的运行,对深空进行了观测,并拍摄了宇宙早期星系的照片。但即便强大如哈勃,太空望远镜也做不到一览无遗,尤其是那些比较暗淡的星系。这种盲点使得我们难以描绘出有关宇宙星光的完整图景。

所以,科学家决定通过间接的方式对星光进行测量。为此,他们利用了美国宇航局的另一个太空天文台,即费米太空望远镜。费米望远镜旨在测量伽马射线,这种射线是光线的最强能量形态。与可见光一样,伽马射线由光子构成,但它对人眼来说是不可见的。

宇宙中最大的一些伽马射线源来自耀变体,也就是位于宿主星系中央的超大质量黑洞,它们的质量是太阳的数百万倍。这些黑洞以周围的宇宙物质为食,在吞吃的时候,黑洞会像打嗝一样,射出高能粒子喷流(其中就包括伽马射线),并推动它们以接近光速的速度在太空中穿行。尽管名为黑洞,但“它却是宇宙中最明亮的光源,非常壮观。”美国克莱姆森大学天体物理学家、上述研究的首席作者马可·阿耶洛(Marco Ajello)说。

费米望远镜可以探测到这样的现象,因为有数百个耀变体直接朝向地球,因此,它有可能对那些喷流进行精确的测量。

狂暴的伽马射线可能跟宇宙中弥漫的“雾”发生碰撞,后者在宇宙诞生初期便已存在。那些雾被称为河外背景光,它们就像是能够捕捉光子的“蜘蛛网”。在漫长的岁月里,雾中积聚了来自宇宙所有光源(主要是恒星,还有一些饥饿的黑洞)的辐射。被困在雾中的星光会继续在宇宙中穿行,即便发出它们的光源早已熄灭,这样便产生了一份关于星光的移动记录。


夜空星光几许?科学家数出了宇宙中的所有光子!


当伽马射线与雾发生碰撞时,有一部分射线会被雾吸收。在这种作用下,曾是雾中明亮灯塔的黑洞强大喷流,会略微变暗。费米望远镜能够检测这种变化,而天体物理学家则可以利用数据,追踪被吸收的伽马射线(光子)数量,并反过来追踪雾的成分变化。

阿耶洛和同事对费米望远镜获得的数据进行了分析,其中涉及700多个距地球远近不一的耀变体。每个耀变体都揭示了宇宙历史的一个不同截面;该研究团队对各个耀变体周围的宇宙迷雾进行了观测,以此估算特定时期的星光。“我们可以推断出,背景光是如何随着时间的推移积聚起来的。”冰岛大学天体物理学家、这项研究的共同作者卡利·赫尔加森(Kári Helgason)说。

眼下,天体物理学家能够回溯的宇宙历史,已经达到了当前技术条件的极限。不过,一件有可能真正改变游戏规则的仪器,正在成形。美国宇航局计划在2021年发射一台比哈勃强大100倍的望远镜,即詹姆斯·韦伯太空望远镜。它将通过红外光而非可见光对宇宙进行扫描,这种设计将让它得以穿透宇宙迷雾,揭示宇宙初期的奥秘。“这就是天文学的魔力。”赫尔加森说,“你(在太空中)观测得越远,实际上是在回望过去。”