天文太空

塵封的萬古星光

自大霹靂以來,位在宇宙各角落裡的星系便不斷發出光子,天文學家現在開始探索這片來自銀河系外的背景光幕。

撰文/多明格斯(Alberto Dominquez)、普里馬克(Joel R. Primack)、貝爾(Trudy E. Bell)
翻譯/李沃龍

天文太空

塵封的萬古星光

自大霹靂以來,位在宇宙各角落裡的星系便不斷發出光子,天文學家現在開始探索這片來自銀河系外的背景光幕。

撰文/多明格斯(Alberto Dominquez)、普里馬克(Joel R. Primack)、貝爾(Trudy E. Bell)
翻譯/李沃龍

重點提要
■夜晚的天空看起來或許是昏暗的,但實際上充滿了宇宙創生以來所有星系累積的光。
■觀測儀器難以偵測到河外背景光(EBL),因為宇宙膨脹會使它越來越稀疏,而鄰近我們的明亮天體也會干擾它。
■遙遠的耀類星體發出的γ射線跟EBL碰撞後會變暗,天文學家藉由觀測這種現象,終於能夠測量EBL。
■科學家依此方式研究EBL,才得以檢視這片光幕保存的宇宙過往記錄。

為什麼夜晚的天空是昏暗的?畢竟,假如宇宙裡充滿了數十億個星系,每個星系又匯聚數十億個恆星,而這些恆星已經發出光子達數十億年之久,那宇宙豈不是早就充滿了光子?德國天文學家奧伯斯(Wilhelm Olbers)在1820年代曾經仔細思索這個問題,後人稱這個問題為「奧伯斯弔詭」。在那之前的幾個世紀,天文學家與哲學家非常納悶夜空為何是昏暗的,以及昏暗代表的宇宙本質。事實證明,這些學者確實觸及了某些深奧的道理。

其實我們無法輕易看見大部份的光。即使處在深邃的太空中,遠離了從地球反射、銀河系恆星發出的所有光,星系際空間的天幕也並不完全是黑的,而是散發著所謂的河外背景光(extragalactic background light, EBL,又稱銀河系外背景光)。EBL包含宇宙從古至今、曾經存在的恆星與星系輻射出的所有光子,波長範圍從紫外光到遠紅外光。相較於發光(或曾經發光)的星系數目,河外空間(extragalactic space)的幅員廣闊,因此遙遠星系發出的EBL非常微弱。由於宇宙仍在膨脹中,遙遠星系發射的光子會分散至整個太空中而大幅稀釋,從遙遠星系來的光會發生「紅移」現象:光的波長增長,頻率落在電磁波頻譜中偏向紅光那一端的波段。

天文學家早已預期EBL存在,但是無法精準測量。2012~2013年,許多研究人員,包括本文作者多明格斯與普里馬克在內,利用費米γ射線太空望遠鏡與地面上稱為大氣切侖科夫望遠鏡(atmospheric Cherenkov telescopes)的超高能量γ射線偵測器蒐集到的γ射線數據,終於能夠明確量化EBL。有趣的是,因為EBL大多是由恆星直接發出的光或塵埃受熱升溫而發出波長較長的輻射構成,EBL其實保存了宇宙各個時期內恆星形成的「記憶」。的確,那些在130億年前形成的第一代星系,因為太過黯淡而無法使用現有的望遠鏡直接觀測。但藉由測量EBL來探索從古至今的星系演化,最終或許能夠讓我們研究那些古早的原始星系。

難以觀測的宇宙背景

奧伯斯弔詭原本是一個哲學問題,直到1960年代,整個電磁波頻譜的許多觀測波段都獲致驚人的天文發現,才把宇宙學從純粹猜想轉變成堅實的觀測科學。當時,天文學家剛開始觀測到許多奇怪的星系與銀河系外天體,我們逐漸明瞭宇宙中充滿了從各個不同方向、穿越河外空間而來的稀薄光子「氣體」。這些光子的波長各異,分佈在許多不同的能量範圍內(較短的波長對應到較高的頻率與較高的能量;長波長則具有較低的頻率與較低的能量)。

那些「氣體」包括了EBL以及數個從各方向上看到的其他輻射場,其中最明亮的是源自大霹靂的宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)。1965年,任職於美國貝爾實驗室的潘琪亞斯(Arno Penzias)與威爾遜(Robert W. Wilson)發現了CMB,因此獲得1978年的諾貝爾物理獎。科學家在1960年代發射了探空火箭而找到另一種輻射場──銀河系外的瀰散X射線背景;1960年代晚期,一架繞行太陽的衛星也觀測到一種更高能量的γ射線背景。

EBL是包含近紫外光、可見光與紅外光波長的宇宙背景,能量與強度僅次於CMB。但EBL並不像CMB那樣是全部一次產生,而是源自大霹靂後大約兩億年時形成的第一代星系裡的第一代恆星,並且歷經數十億年增加而成。的確,要是今天有新恆星誕生並且開始發光,就會增添EBL。


想利用望遠鏡蒐集光子來直接測量EBL,就像試圖從美國紐約市五光十色、高樓林立的時代廣場抬頭觀測夜空中黯淡的銀河系光帶一樣,是不可行的。EBL包含許多同樣落在可見光與紅外光波段的光,地球處在極度明亮的星系裡,其中的數十億個恆星及巨型發光氣體雲比EBL還亮。更糟的是,地球位於太陽系光線充足的區域:分佈在地球繞日軌道上的塵埃會散射陽光,製造出與EBL波長相似的黃道光。如果人們在某個恰當時間從暗處看到黃道光,會誤認為是破曉的黎明。


身處於明亮的太陽系與銀河系裡的天文學家,是否能夠分辨、捕捉並確認微弱的EBL光子?答案是否定的。無論是地面或太空中的望遠鏡,都未能直接確切測量EBL。2000年,美國加州大學聖克魯茲分校的馬道(Piero Madau)與義大利波隆納天文台的波澤蒂(Lucia Pozzetti)曾把哈伯太空望遠鏡偵測到的所有星系的光相加。(請記得,EBL是由近紫外光到紅外光波長範圍內的所有輻射組成,包括明亮星系發出較易偵測到的光,還有因太黯淡以至於連望遠鏡都觀測不到的星系發出的光。)由於該計算並不包含黯淡星系或其他可能的光源,因此只能算出在不同波段中EBL亮度的下限。


2011年,多明格斯、普里馬克與我們的觀測同事把地面和太空望遠鏡觀測到80億光年內所有星系的星光加總,共同為EBL設定更高的下限。套用天文學術語,80億光年相當於紅移1的距離,可回溯到大霹靂至今約一半又多一點的時間。(由於光在歷經長途旅程後抵達望遠鏡的那一刻,我們才得以看見天體當時的樣貌。對極遙遠的天體而言,那些光早在數十億年前便已出發,因此眺望太空遙遠的深處,就相當於回溯萬古時光。)我們測量從不同距離的星系(即不同的宇宙年代)發出的星光波長變化模式,得以基於觀測結果來確立EBL。我們甚至能夠從紅移大於1的天體,也就是利用更遙遠、更古老的星系,來推算EBL的上下限。


若要跨越這些限制,天文學家勢必得另闢蹊徑,才能夠真正測量EBL的亮度。