通常,我们把望远镜对准一些我们想看到更详细的物体。在20世纪90年代,天文学家做了相反的事情。他们将历史上最强大的望远镜——哈勃太空望远镜对准天空中一片没有已知恒星、气体或星系的黑暗区域。但在这片虚无之中,哈勃揭示了一个惊人的景象:虚空中充满了星系。

长期以来,天文学家一直想知道宇宙中有多少星系,但在哈勃望远镜之前,我们能够观测到的星系数量远远超过了被距离和时间所隐藏的较暗的星系。哈勃深空系列(科学家们又做了两个这样的观察)提供了一种几乎可以追溯到大爆炸时期的宇宙核心样本。这使得天文学家最终可以估计银河系的人口至少2000亿左右。

为什么“至少”?因为即使是哈勃望远镜也有它的局限性。

你走得越远(回到过去),就越难看到星系。造成这种现象的原因之一是光必须传播的纯距离。第二个原因是由于宇宙的膨胀。非常遥远的物体的光的波长被拉长(红移),所以这些物体在地球上再也看不见了主要是紫外线和可见光部分哈勃望远镜设计用来探测的光谱。最后,理论表明,早期的星系一开始更小更暗,直到后来合并形成了我们今天看到的巨大结构。科学家们确信这些星系的存在。我们只是不知道有多少人。

2016年,一项研究发表在《天体物理学杂志》上由诺丁汉大学的克里斯托弗·康塞利斯领导的团队所领导使用数学模型来估计有多少尚未被发现的星系潜伏在哈勃望远镜的视野之外。加上现有的哈勃观测结果,他们的结果表明,这样的星系占总数的90%,这导致了一个新的估计——可能多达两个亿宇宙中的星系。

然而,这样的估计是一个不断变化的目标。随着更多的观察,科学家可以更好地处理起作用的变量,并提高他们估计的准确性。

这就引出了这个故事的最新内容。

嗡嗡作响的冥王星以及奇异的柯伊伯带天体,Arrokoth美国国家航空航天局(NASA)的“新视野号”(New Horizons)宇宙飞船正在太阳系的边缘驶向星际空间——最近,它拉上了哈勃(Hubble)。在一项研究并将于本周在美国天文学会上发表《天体物理学杂志》上由天文学家马克·波兹曼(Marc Postman)和托德·劳尔(Tod Lauer)领导的一个研究小组描述了他们在将新视野号(New Horizons)望远镜用在7片空白空间上,试图测量宇宙中环境光的水平后的发现。

他们说,他们的发现使他们能够确定现存星系数量的上限,并指出空间可能没有之前想象的那么拥挤。根据他们的数据,星系的总数更有可能是数千亿,而不是万亿。“我们根本看不到来自2万亿个星系的光,”邮差在一份新闻稿中说本周早些时候出版。

他们是如何得出结论的?

寻找完美的黑暗

哈勃的观测还有一个限制条件。它不仅不能直接分辨早期的星系,而且由于黄道光的漫射,它甚至不能探测到它们的光。黄道光是由太阳系内尘埃形成的光晕散射光造成的,它非常微弱,但就像地球上的光污染一样,它可以遮蔽早期宇宙中更微弱的物体。

“新视野号”宇宙飞船现在已经脱离了黄道光的领域,正凝视着拍摄到的最黑暗的天空。这为我们提供了测量来自银河系以外的背景光的机会,并将其与已知和预期的光源进行比较。

邮递员告诉纽约时报再往前走一个数量级也不会让我们看到更黑暗的前景。

劳尔写道:“当你在太阳系边缘的新视野号上安装望远镜时,你可能会问,太空到底有多暗。”“用你的相机来测量天空的辉光。”

不过,测量结果并不简单。在一篇文章中,天体物理学家兼作家伊森·西格尔(Ethan Siegel),他没有参与这项研究,解释了研究小组如何细致地识别、建模,并从“相机噪音、散射的阳光、多余的离轴星光、飞船推力产生的晶体和其他仪器效应”中去除影响。他们还删除了任何离银河系太近的图像。经过这一切之后,他们只看到了宇宙微弱的光芒,这才是最激动人心的地方。

2016年的这项研究预测,一个拥有2万亿星系的宇宙产生的光大约是我们目前观测到的星系的10倍。但“新视野号”团队只发现了大约两倍的光。这使他们得出结论,潜伏在那里的星系总数可能比以前认为的要少——这个数字更接近哈勃最初的估计。

“把哈勃望远镜所能看到的所有星系都放大一倍,这就是我们所看到的,但仅此而已,”劳尔说。

《凝视星空:下一代》

新视野号的观测结果并不是故事的结束。当(祈祷)哈勃的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)发射并开始运行时,我们观察最早宇宙的能力将在今年得到提升。

将JWST设置为在较长的波长中观察比哈勃大得多。这些属性应该可以让它看到更远的后面,并成像那些更小、更暗的最初星系。就像哈勃深场一样,如果一切正常,将这些星系加入普查应该会给我们一个更清晰的整体画面。

无论科学家们最终着陆的数字是多少,它都不可能只有令人难以置信的巨大。即使是几千亿个星系也意味着有整个银河系中的每一颗恒星这类研究无疑将使人们对宇宙是如何形成的宇宙学问题有更多的了解。但这也引出了一个问题:在浩瀚的星系、恒星和行星的海洋中,我们真的是唯一一个向外张望并想知道自己是否孤独的物种吗?

图片来源:极端深空/美国宇航局

Jason是Singularity Hub的总编辑。斯洛伐克捷克比分直播在转向科学技术之前,他做过金融和经济方面的研究和写作。他对几乎所有的事情都很好奇,可悲的是他只知道其中的一小部分。