Credit: NASA
四年前，天文学家对他们可以从事的一种新型科学有了一个惊人的认识:他们终于可以搜索宇宙光学背景的存在(或不存在)了。我们有一个关于宇宙中光的来源的理论:
我们有宇宙大爆炸留下的光，现在变成了光谱的微波部分，
我们有恒星发出的光，被认为分布在星系、星系群和星团内部，还有一些恒星和星团在星团内部介质中，
我们有中性物质云反射的光，
我们有被加热的物质产生的光，它会产生宇宙红外背景。
理论上，唯一应该存在的“宇宙光学背景”是恒星发出的光，这些光应该被限制在星系和更大的物质集合内，再加上来自相同结构的一点点额外的反射光。但从地球上，甚至从我们太阳系的空间，我们无法进行这些测量;星际空间中微小粒子反射的太阳光产生了太多的“杂散光”，无法找到真正的黑暗。
但是有五艘宇宙飞船——旅行者1号和2号，先驱者10号和11号，以及新视野号——已经飞到离地球足够远的地方，所有的杂散光，也就是所谓的黄道光，终于足够微弱，它们可以回答有关深空黑暗的问题。虽然前四颗卫星没有合适的工具来进行这些关键的测量，但“新视野号”有，而且仍在全面运行。经过新视野团队的仔细分析，以下是我们对宇宙光学背景的了解。
Credit: NASA
想象一下，在热的大爆炸开始时，你就在附近，你能够——从一个无所不知的角度——观察宇宙展开的历史。最初，你会发现宇宙完全被照亮了。一个由粒子、反粒子和辐射(包括光子)组成的密度极高、能量巨大的“浴池”无处不在，向各个方向持续存在，其能量很容易达到甚至超过光学波长的能量。然而，随着时间的推移，宇宙膨胀和冷却，其中的光看到它的波长拉伸，减少它的能量，从紫外线到可见光到红外线，甚至更长，更低波长的能量。当宇宙冷却到足够大的程度时，中性原子就形成了。
但是一种新的光源出现了。一旦中性原子形成，宇宙中的物质就开始在引力作用下收缩，将物质吸引到密度最大的区域，并导致气体流相交。随着这些气体云的坍塌和破碎，它们最内部的密度增加，当它们越来越远地收缩时，热量就会被吸收，直到越过一个临界阈值，恒星就会形成。这些恒星再次开始用可见光照亮宇宙，当我们到达今天的时候，超过130亿年之后，我们预计已经形成了超过20亿颗恒星，分布在星系、星系群、星系团，甚至更大的结构中。
资料来源:r.e. Angulo et
在这些物质的集合中还发生了一些额外的过程，这些过程也应该发出可见光。
黑洞应该吸积物质，加热到如此高的温度，以至于发出可见光。
闪亮的恒星发出紫外线，由于宇宙膨胀，紫外线在到达我们的眼睛之前被转移到光谱的可见部分。
星光照射在中性的物质颗粒上，比如尘埃，将其加热，并导致其中的电子被激发，在那里，它们沿着能量级下降，并在此过程中发光。
在宇宙中到处散布的星光撞击着物质云，这些物质云反射了一部分光线，产生了额外的光辐射源。
然而，主要是星系内的恒星，以及在较小程度上，这些星系内的黑洞，被认为是宇宙中可见光的主要来源。要验证这一想法，最重要的测试之一就是将望远镜发射到太阳系之外，在行星际空间中存在的冰粒和尘埃反射阳光的地方之外，测量来自宇宙内部所有外部光源的微弱累积光量。如果所有这些光的总和——即宇宙光学背景——与预测的来自星系及其黑洞的光相匹配，那么这有助于证实我们对宇宙的现代描绘。然而，如果不是这样，我们可能会发现深空并不是完全黑暗的，也许宇宙比我们目前想象的要多。
Credit: JADES Collaboration
我们已经对各种距离的微弱星系进行了非凡的普查，使用了强大的高分辨率深视场技术，如JWST和哈勃望远镜，也使用了低分辨率的宽视场技术，如斯隆数字巡天、盖亚和欧几里得望远镜。但所有这些望远镜都有一个严重的缺点:它们离太阳不够远。因此，有一种风险是，来自银河系和黄道带尘埃的散射光正在污染这些天文台。为了探测星际空间的深处，我们需要消除这些来源，因为没有更好的词，“光污染”。
你可以想象一些巧妙的方法来处理这种光线。你可以想象当天文台在地球的阴影下进行观测时，黄道光仍然存在，并且仍然会污染你的观测结果。你可以想象从黄道面往外看，黄道光是最微弱的。但即使你这样做，天空的背景亮度大约是未解析的河外光的15倍;哈勃和JWST都被这种噪音淹没了。唯一现实的选择是去很远很远的地方:到很远的地方，在那里，星际尘埃粒子的密度非常小，以至于它的作用可以忽略不计。星际尘埃粒子反射阳光并产生黄道光。
Credit: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)
但终于，我们有了这样一个候选天文台:新视野号宇宙飞船。目前，它的距离大约是57个天文单位(1个天文单位是地球与太阳的距离)，它是人类发射的仅有的五艘宇宙飞船之一，目前正处于将使它逃离太阳系的轨道上。它还包含有史以来部署的最远程的活动相机，而且它的位置离太阳如此之远，基本上没有黄道光前景。虽然哈勃在近地轨道上无法对宇宙光学背景进行高质量的测量，但新视野号搭载了远程侦察成像仪(LORRI)，现在处于最佳位置，可以做到这一点。
第一次尝试进行这些测量，并用新视野号量化宇宙光学背景，是在2021年的一篇论文中进行的，他们考虑了一些问题。他们模拟了以下因素的影响:
相机噪声,
残余的散射阳光，
多余的离轴星光;
宇宙飞船推力发出的晶体反射，
还有工具效应，
所以他们可以把它们从观测中移除。他们忽略了靠近银河系平面的观测结果，而把注意力集中在尽可能远离银河系平面的观测结果上。然后，他们对观测到的光进行了量化，将其与恒星和星系的预期总体贡献进行了比较，并得出结论，如果有的话，他们可以了解到在观测到的宇宙光学背景中存在的任何过度现象。
Credit: SWRI/SETI Institute
这项研究基于新视野号距离太阳更近(42到45天文单位)时获得的七个场，他们推断宇宙光学背景强度为每平方米15.9±4.2纳瓦/平方米/直角(其中直角是天空立体角的度量;在整个天空中总共有4π立体度)，这大约是未解决的恒星和星系预计的光量的两倍。这些数据似乎指向一个惊喜:也许宇宙中有比已知和预期的恒星和星系所能解释的更多的光。
然而，还有其他的前景光源可能会污染这些观测结果。漫射的星系光是一种严重的污染物，因为银河系内的恒星会发出被星际尘埃散射的光。散射的星光，在LORRI仪器视野之外的恒星会贡献星光，这些星光仍然进入了相机。基于新视野号飞船所做的大量观测，新视野号团队于2024年在这里进行了新的工作，这项工作已被《天体物理学杂志》接受发表，他们在那里获得了新的LORRI图像，这些图像的设计明确地将这些前景的影响降到最低。
Credit: NASA/New Horizons
这项新工作包含了许多有趣的发现，大大完善了我们以前的结论。特别是漫射星系光的贡献，得到了实质性的改进，并被发现比以前的工作所表明的要大得多。在早期的分析中，宇宙光学背景的“异常”成分，不能用前景或来自未解析恒星和星系的过量光来解释，被量化为8.8±4.9 nW/m²/sr，这在超过3西格玛的水平上是显著的:高度提示，但不是完全决定性的。
然而，现在，在对漫射星系光的重新分析的推动下，新的分析将归因于宇宙光学背景的多余光的数量减少了一半以上，同时也减少了结果的重要性。这篇新论文非常清楚地指出:
“虽然我们的观测可以适应相对于IGL振幅的适度的[宇宙光学背景]异常，但我们不能证伪一个更简单的假设，即[宇宙光学背景]完全是由于已知的星系群造成的。”
我们是如何得出这个新结论的至关重要，因为新视野号的数据基本上是第一个测量远离黄道光污染影响的太空亮度(或亮度)的航天器。
Credit: Planck Collaboration/ESA
最大的改进是使用LORRI进行分析所获得的领域数量。2021年的原始论文仅使用了7个视场来估计累积光学背景，而这篇新论文利用了16个视场来估计背景，加上8个视场用于校准目的。这产生了较低的不确定性结果，以及比先前分析更可靠的校准结果。
最初，2021年的分析发现，每次LORRI仪器通电时，背景噪音水平都会升高(逐渐衰减)。(不工作时是关闭的，以节省电力。)为了适应这种效应，他们等了大约四分钟，让升高的背景充分衰减。(其最终的根本原因尚不清楚。)然而，这项新的分析表明，即使在4分钟后，这种升高的噪音仍在继续衰减，需要重新校准，这包括在新的分析中。这种类型的改进对于减少系统错误至关重要。
然而，对前景的贡献做出了多项改进，以及在估计漫射星系光对测量信号的贡献方面做出了额外的改进，这些也发挥了主要作用。
Credit: Marc-Antoine Miville-Deschenes
对于前景，他们发现散射星系光的贡献比之前的分析估计的要大一些:0.10 nW/m²/sr，而不是之前的0.07 nW/m²/sr。他们还发现需要对氢中n=3到n=2能级跃迁的发射进行校正，在这种跃迁中，受激发的氢原子在去激发时发射出特定波长(656.3 nm)的光子，这在之前的分析中没有包括。最后，他们发现邻近的明亮星系的贡献，即使它们被排除在视野之外，也对前景做出了贡献，除了之前量化的散射星光，整合星光和整合星系光。
对于漫射星系光，我们使用了一种先进的远红外校准器(来自普朗克卫星，取代了之前使用的IRIS数据)，并使用实际的LORRI视场来估计孔径，而不是简单地使用固定角半径的圆。但也许最大的修正来自于一种优越的自校准方法，该方法使用了这项新分析中获得的8个高纬度星系(5个北纬，3个南纬)场，而不是使用2017年的估计器，该团队首次建议使用新视野来测量宇宙光学背景。
Credit: M. Postman et al.
当你把所有这些影响与新的测量结果结合在一起时，最新的分析发现，宇宙光学背景的估计强度比以前的估计要小得多:大约是新视野号数据显示的最大估计的一半，只有同一团队最初(2021年)新视野号分析结果的三分之二。这个结果在超过3西格玛的水平上是显著的，只有大约0.3%的机会是侥幸的，而这个结果与已知光源的预期背景高度一致:恒星、星系、黑洞和激发态气体。
剩下的异常值只有大约1.5西格玛的显著性，这伴随着大约15%的可能性是侥幸:这个值太大了，让人感到不舒服。此外，它还对之前的断言提出了质疑，因为对漫射星系光的新估计导致了对同一团队早前2022年发表的一篇论文的修正值(灰色的下条，与上面的那条相反)，这表明没有足够的证据支持探测到超出已知物理学预测的多余光源。正如作者自己的结论:
“如果我们目前的[宇宙光学背景]强度是正确的，然而，这意味着星系计数，[高能]γ射线消光，以及[宇宙光学背景]强度的直接光学波段测量最终在一个有趣的精度水平上收敛……最简单的假设似乎为我们所看到的提供了最好的解释:宇宙光学背景是来自我们视界内所有星系的光。”
