我们终于知道宇宙有多明亮

地球因人类的忙碌而发出微弱的光辉。从远处看，你无法分辨出单个房屋，甚至城市，但通过追踪聚光灯和路灯随时间发出的集体光子，你或许能够大致了解技术文明的崛起——而且你可能会注意到所有的灯是否开始熄灭。

同样的故事也适用于整个宇宙。

恒星是终极灯泡，虽然有些光线会化为尘埃颗粒，但其他光线会完好无损地逃逸。太空以寒冷和黑暗而闻名，但在星系之间相对空旷的虚空中，这些逃逸的光粒子集体在各处产生弥散的微光。这种光芒可以告诉你那里有什么，而不必一一数出所有的恒星和星系。一个国际天体物理学家团队借用粒子物理学的工具，对这种光进行了迄今为止最精确、最全面的测量，即宇宙中所有恒星的集体闪耀。

他们的研究成果于周四发表在《科学》杂志上，讲述了一个涵盖宇宙大部分历史的史诗故事，甚至揭开了宇宙诞生后的最初 10 亿年的面纱——这是传统天文学家无法看到的一个时代。克莱姆森大学天体物理学家、该团队的负责人马可·阿耶洛说：“我从来不相信这种测量是可能的。”

要找到河外背景光（知情人士称之为），你不能只将望远镜对准一片漆黑的天空并计算光子数：你无法区分本地阳光和真正的外部光线。相反，该团队利用了数百次宇宙事故。

大多数星系的中心都有巨大的黑洞，其中一些最可怕的黑洞会向太空喷射出难以想象的伽马射线，这片区域比我们的太阳系还小，但释放的能量却相当于整个星系。当这些喷射物恰好直指地球时，天文学家就把它们称为耀变体。它们是自然界最强大的粒子加速器之一，而美国宇航局的费米太空望远镜是人类最好的伽马射线探测器之一。

“感谢费米和我们的工作，我们可以将两个不同的领域，高能物理学和古典天文学结合起来，”西班牙马德里康普顿斯大学天文学家兼合著者 Alberto Domínguez 说。

研究团队分析了费米望远镜九年来收集的数据，这些数据包含了来自 700 多个耀变体和一次伽马射线爆发的光。他们发现，射线在传播过程中变得越来越弱，就像车灯穿过雾一样，穿过了充满宇宙的背景光。雾越浓，车灯就越暗，因此，对比近处和远处的耀变体，可以发现干扰背景光的亮度。由于伽马射线花了数十亿年才到达这里，因此研究团队还可以看到过去出现的背景光。“我们回溯了相当久远的时期，这确实是一个突破，”多明格斯说。“我们能够覆盖宇宙历史的 90%。”

虽然所有星系都曾毫无意外地在漫长的岁月中向虚空喷射出不少光子，但这些光子并不那么明亮。如果你能关掉地球上的所有灯，让银河系的所有星星都熄灭，天空也不会变得太暗。根据阿耶洛的说法，天空的亮度相当于 2.5 英里外 60 瓦灯泡的亮度。它的暗淡反映了宇宙学中的一个经典悖论：如果你放眼望去到处都是星星，为什么夜空不是一直都明亮得令人眼花缭乱？根据现代宇宙学家——以及以某种方式首先解决这个难题的埃德加·爱伦·坡——的说法，部分答案是宇宙的爆炸性膨胀在光线向太空扩散时稀释了光线。

因此，当星系争相照亮不断扩大的黑暗时，由此产生的微弱光芒追踪了宇宙多年来的活动。多明格斯预计，新的测量方法将揭示宇宙从模糊的起源到其膨胀驱动的未来等谜团，但首先，该团队专注于解决关于中间 130 多亿年的争论：我们是否错过了恒星和星系形成故事中的任何主要角色？

过去的恒星形成研究深入太空，测量了大质量恒星发出的紫外线，这些恒星往往寿命短、死亡早，但没人能确定这些调查没有遗漏那些太暗而看不见的星系。但宇宙雾代表了所有星系发出的光，无论它们有多小。研究小组重建的时间线提供了一条全新的证据，支持普遍接受的理论弧线。恒星形成起初缓慢，然后越来越快，在大爆炸后约三四十亿年达到顶峰，然后随着恒星物质减少和星系间距离增大而逐渐消亡。今天银河系每年诞生大约 7 颗新恒星，因此宇宙年轻时类似的星系可能产生了 70 或 80 个。“我们的宇宙就像一棵圣诞树一样亮着，”阿耶洛说。

新结果不包括任何撞击尘埃颗粒并以红外热量的形式重新发射的光（这约占背景光能量的一半），但多明格斯表示，他们在重建恒星形成时已经考虑到了这个盲点。

Ajello 的团队并不是第一个探索星系间宇宙雾的团队。他们的工作建立在数十年的理论估计以及地面和太空直接捕捉光子的努力之上。但由于太阳光从当地尘埃粒子上反射的数量是背景光的 100 倍，这就像在中午捕捉萤火虫一样困难。“你必须离开星系，”圣克鲁斯大学的宇宙学家 Joel Primack 说，他不是 Ajello 团队的成员，但在开发测量理论方面发挥了作用。“你要如何离开星系？答案是这些伽马射线。”

由于近年来对耀变体有了更深入的了解，通过雾对伽马射线的干扰来测量雾才成为可能。2012 年，多明格斯、阿耶洛和其他许多人利用费米数据证明了这一想法的可行性，但新研究使用了更广泛的来源和升级的软件，将研究范围从大爆炸后的 40 亿年推回到最终目标——第一个 10 亿年。“我们总是想去看看我们无法看到的地方，”阿耶洛说。

这个时代对现代天文学家来说仍然是个谜，因为厚厚的氢原子雾阻挡了光的移动，宇宙学家想知道究竟是什么发出了让宇宙变得清晰的紫外线——例如恒星星系还是黑洞喷流。费米无法分辨足够远的耀变体以最终解决争论，但该团队的背景光测量确实让恒星星系保持了竞争力。

阿耶洛希望捕捉到更远但更短暂的伽马射线爆发，从而追溯到更早的时期。“你需要非常迅速地转动大型光学望远镜，趁它们还很明亮的时候，”他说。“那将是壮观的。”