編者按：我們釋出這篇來自2002年3月刊的專題文章，是因為在美國天文學會年會上傳來了關於此處討論現象的新聞。
每天的報紙似乎都會出現新的天文發現：新的天體、新的物理過程、新的物質形式。這些啟示會永無止境嗎？天文學家是否有一天會確信他們已經對宇宙進行了完整的清點？如果問題如此寬泛地提出，答案顯然是否定的：天文學家已經知道，宇宙中並非所有事物都能直接看到，而且不可避免地會有新的驚喜。但是一個稍微狹窄的問題——天文學家是否會完成對恆星、星系和其他發光物質的計數？——則有不同的答案。天文學家確實會有一天能夠解釋宇宙中大部分的光，而這一天正在迅速逼近。
多年來，天文學家開發了一種質量控制檢查方法，可以判斷他們是否遺漏了任何重要的光源。其思路是研究一種大多數觀測者都認為是麻煩的現象：所謂的背景輻射。當任何學科的科學家談論“背景”時，他們通常指的是除了他們感興趣的東西之外的一切。捕捉來自恆星輻射的望遠鏡不可避免地會收集來自遠近其他天體的光。這種無關的光只會降低所需測量的精度。
我們這些研究背景輻射的人，正是把注意力集中在我們的同事試圖忽略的東西上。我們首先將來自給定空間區域的所有光加起來。然後，我們系統地減去來自已知物體的貢獻，如恆星、星系和氣體雲——統稱為“前景”。如果還剩下一些東西，一些不確定來源的瀰漫光暈，我們就知道我們對天體的普查仍然不完整。
有時，當物體間距非常接近，而望遠鏡缺乏足夠的解析度來區分它們時，就會觀察到瀰漫的光暈。以銀河系為例，肉眼看來它是一片模糊。用一個簡單的雙筒望遠鏡，你可以看到模糊是由數百萬個單獨的光點組成的。有時，瀰漫的光暈來自真正瀰漫的源，例如我們太陽系的黃道塵埃或我們星系的氣態超新星遺蹟。我們星系和附近星系中的許多（但絕非全部）這些來源已被識別，因此它們可以被視為前景的一部分。來自我們星系之外，充滿整個宇宙的輻射，是宇宙背景。
在過去五年中，隨著望遠鏡的靈敏度和解析度的顯著提高，天文學家已經解釋了越來越多的背景光暈。在此過程中，我們發現我們之前對宇宙的清點並不完整：例如，我們嚴重低估了超大質量黑洞的普遍性。它們遠非曾經認為的孤立的怪事，而是無處不在。早期的研究遺漏了它們，因為它們被大量的塵埃所覆蓋。隨著這些黑洞現在被揭開，我們可能很快就能完全解釋背景。
這並不是說我們將看到所有能看到的東西。我們不能像生物學家清點每一隻甲蟲那樣列出每一個天體。但正如生物學家可以合理地聲稱知道所有主要型別的，例如，陸地哺乳動物一樣，天文學家也正處於識別所有主要類別的發光物體的前夕。
不遺漏任何一絲細語 當天文愛好者聽到“背景”一詞時，他們會立刻想到著名的宇宙微波背景（CMB）。這種普遍存在的無線電輻射似乎具有真正的瀰漫起源——即，一個在宇宙僅有40萬年時充滿宇宙的熱等離子體。透過宇宙的膨脹，今天觀察到的這種輻射的峰值波長約為1毫米，對應於2.7開爾文的溫度。對宇宙微波背景的光譜和分佈的研究為大爆炸理論提供了有力的證據。
然而，宇宙微波背景只是故事的一部分。整個電磁背景實際上是各種成分的混合物，每種成分都主導著特定的波長範圍。除了宇宙微波背景之外，還有不太為人所知的宇宙X射線背景（CXB）、宇宙紅外背景（CIB）和宇宙光學背景（COB）。
對這些成分的精確測量是觀測天文學中最具挑戰性的任務之一。從概念上講，它看起來如此簡單：觀察天空以測量總訊號，然後減去地球和深空宇宙之間所有已知來源（前景）：探測器的噪聲、來自我們太陽系內的訊號、來自銀河系其餘部分的輻射等等。此外，還必須校正前景對背景訊號的任何衰減。
然而，以足夠的精度執行所有這些減法是很棘手的；減法是一種會放大誤差的操作。在某些波段，觀測者很幸運，背景是天空中最亮的輻射，但在其他波段，他們必須從前景的轟鳴聲中提取宇宙的細語。最常見的限制因素是天文學家瞭解前景輻射的準確性。他們試圖透過專注於天空中完全沒有恆星和其他已知前景的區域來回避這個問題——越無聊越好。儘管存在障礙，觀測者現在已經在很寬的光譜範圍內以相當高的精度確定了宇宙背景光譜。
X射線成分於1962年被發現，在大約30千電子伏特處有一個特徵峰——大致對應於醫療X射線使用的波長——並且在高能方向有一個長尾，包括伽馬射線。在約1千電子伏特以下，併疊加在這個連續譜上，是一些原子發射線，這些發射線似乎是加熱到數百萬開爾文的氣體的指紋，最有可能位於我們星系內部或周圍。
在20世紀70年代，第一批X射線衛星，如UHURU、ARIEL V和HEAO-1，顯示高能X射線均勻地分佈在天空中。因此，它的起源必須主要來自銀河系外：如果它來自我們的太陽系或星系，亮度將在與行星或銀盤的平面相對應的某些方向上強烈傾斜。伽馬射線衛星，如SAS-3、COS-B和康普頓伽馬射線天文臺，在更高的能量下發現了類似的均勻性。
雖然宇宙微波背景和宇宙X射線背景在其各自的波段中主導著天空，但其他宇宙背景成分在其各自的波段中僅佔輻射的一小部分。幾年前，幾個小組獨立地在宇宙微波背景的高頻尾部檢測到了遠紅外背景訊號[參見“黑暗中的光芒”，作者：George Musser；《大眾科學》，1998年3月]。在近紅外到中紅外範圍內，明亮的黃道光遮擋了背景，因此天文學家通常會求助於從其他波段插值測量結果。他們還從高能伽馬射線的觀測中得出了上限：太厚的紅外光子霧會干擾伽馬射線的傳播。直到最近兩年，觀測者才在紅外波長進行了直接測量。
在光學和紫外線方面，密歇根大學的麗貝卡·A·伯恩斯坦和她的同事於去年12月首次宣佈了直接背景測量結果。在他們的工作之前，天文學家依靠對哈勃太空望遠鏡看到的最微弱星系的光進行求和得出的約束。在極端紫外線中，背景被星際介質遮擋，因此只能透過在紫外線和X射線測量之間插值來估計背景水平。
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隱藏在背景中 為了使用背景輻射作為質量控制檢查，天文學家必須開發出將測量結果與預期結果進行比較的方法。這不是一件容易的事。背景代表來自各種天文物體的光線的複雜混合物。由熱核聚變產生的星光主要侷限於近紅外、光學和紫外波長。類星體和其他活動星系核（AGN），它們的黑洞吸入物質並有效地將其引力能轉化為輻射，在很寬的波段中發光，從無線電到伽馬波長。塵埃雲吸收光學、紫外線和X射線，並在遠紅外線中重新輻射能量。更復雜的是，背景將來自宇宙距離和演化階段截然不同的物體的光混合在一起。
一種策略是對天空進行密集調查——以儘可能高的解析度和靈敏度進行觀測，從而確定背景的特定來源。透過比較在不同波長下進行的發現，我們可以確定這些來源是什麼型別的物體。然而，這種直接的方法只能對天空非常有限區域中相對較亮的物體實現所需的精度。對於更廣闊的圖景，我們轉向第二種稱為人口合成的技術：計算可能的物體組合的預期輻射，將此預測與背景測量值進行比較，並繼續嘗試不同的組合，直到找到一個似乎匹配的組合。
由於宇宙X射線背景（CXB）是最早被發現的背景輻射，因此對它的研究也比其他背景成分更多。最基本的問題——宇宙X射線背景是來自未分辨的源，還是一種迄今未知的彌散氣體？——爭論了三十年[參見布魯斯·馬貢（Bruce Margon）的文章《宇宙X射線背景的起源》（The Origin of the Cosmic X-ray Background），《大眾科學》，1983年1月]。在20世紀90年代，一個間接的論證最終解決了這個問題。如果宇宙X射線背景來自熱星系際氣體，那麼這種氣體也應該像一個屏障一樣，扭曲我們對宇宙微波背景的觀測。宇宙微波背景的頻譜將因此偏離完美的黑體輻射。然而，宇宙微波背景的觀測，特別是宇宙背景探測者衛星（Cosmic Background Explorer satellite）的觀測，沒有發現這種偏離。因此，只有一小部分的X射線背景可能來自這種氣體；較冷的氣體可能會有所貢獻，但在大多數情況下，宇宙X射線背景必須代表著未知的離散源。
但是這些源可能是什麼呢？首次為解答這個問題而進行的深入巡天觀測是在20世紀80年代初，由愛因斯坦X射線衛星（HEAO-2）進行，由宇宙X射線背景的發現者裡卡多·賈科尼（Riccardo Giacconi）等人進行。他們將大約五分之一的X射線背景分解成了離散的源，包括類星體。ROSAT衛星跟進了這項工作。1984年，由賈科尼、馬丁·施密特（Maarten Schmidt，類星體的發現者）、約阿希姆·特魯珀（Joachim Trümper，ROSAT之父）以及我們中的一位（哈辛格）組成的科學家小組在德國加興的馬克斯·普朗克地外物理研究所會面，開始規劃利用該衛星進行深空巡天。在1990年ROSAT發射後，這些巡天成為一項歷時十餘年，涉及大量合作者的重大事業，其數量之多我們無法在此一一列舉。
對所謂的洛克曼洞（Lockman Hole）進行的ROSAT深空巡天——一個靠近北斗七星、幾乎沒有前景吸收的區域——是有史以來最長、最深的X射線加光學觀測之一。它們在低於2 keV的能量範圍內，即天文學家稱之為軟X射線的範圍，分解了80%的X射線背景。主要的瓶頸在於進行光學識別。我們必須在深空光學影像上尋找X射線源的對應物，而它們往往極其微弱。然後我們必須獲得它們的光譜，從而揭示這些物體的性質以及它們的紅移，這是衡量距離的指標。如果沒有巨型凱克望遠鏡，這項工作是不可能完成的，但即使是其10米口徑的反射鏡也很難收集到足夠的光來測量最微弱光學對應物的光譜。
大約80%的ROSAT源被證明是各種型別的活動星系核——主要是明亮的類星體和所謂的賽弗特1型星系。這些活動星系核光譜中的寬發射線表明，我們可以清楚地看到它們最內部的區域，那裡是巨型黑洞吞噬物質的地方。
塵埃纏繞 然而，其餘的活動星系核只顯示出窄發射線或者根本沒有發射線——這表明氣體和塵埃阻擋了我們對它們中心黑洞的視線。它們被歸類為2型類星體或賽弗特2型星系。第二種型別的存在在活動星系核的“統一模型”框架中是有意義的。統一模型在20世紀80年代中期提出，假設所有活動星系核不僅包含一箇中心黑洞，還包含一個氣體和塵埃環面。根據這個環面的方向，它可以隱藏黑洞。該模型此後得到了更新，但基本預測保持不變：我們感知到的是不受遮擋的（1型）或受遮擋的（2型）活動星系核。
儘管這些軟X射線巡天表明活動星系核是X射線背景的主要來源，但隨著天文學家開始採用他們的第二種策略來理解背景——即種群合成，一個明顯的悖論出現了。當天文學家根據觀測到的比例將不同型別的活動星系核的光譜加在一起時，結果應該等於宇宙X射線背景的光譜。但事實並非如此。活動星系核的光譜呈平坦或碗狀，而宇宙X射線背景的光譜在30 keV處有一個峰值。
1989年，義大利博洛尼亞大學的吉安卡洛·塞蒂（Giancarlo Setti）和法國上普羅旺斯天文臺的洛·沃爾特（Lo Woltjer）提出瞭解決這一差異的方法，當時他們在德國加興的歐洲南方天文臺一起工作。他們假設種群合成模型沒有以正確的比例加入活動星系核。與人們之前的想法相反，X射線背景的大多數來源可能是2型活動星系核。較高能量（所謂的硬）X射線可以穿透這些黑洞周圍的塵埃和氣體，而軟X射線則被吸收。透過這種方式，整體宇宙X射線背景光譜將不同於明亮活動星系核的光譜。
基於這個想法，種群合成建模者尋求1型和2型活動星系核的正確混合比例，以便解釋宇宙X射線背景光譜，同時考慮到這些物體如何隨時間演化。正如當時在馬克斯·普朗克地外物理研究所的安德烈亞·科馬斯特里（Andrea Comastri）及其同事在1995年所展示的那樣，如果黑洞產生的能量絕大部分（80%到90%）被厚厚的雲層和塵埃所遮蔽，那麼這樣的模型可以重現高達約300 keV的光譜。如果是這樣，那麼這些巨獸在早期宇宙中比今天多100倍——這個數字與它們幾乎在所有星系中形成的情況相符。如果不是因為宇宙X射線背景，它們可能不會被注意到。
一個相關的悖論涉及到光學和紅外背景（分別為宇宙光學背景（COB）和宇宙紅外背景（CIB））。宇宙光學背景很可能是恆星輻射的總和，隨著宇宙膨脹而發生紅移。另一方面，宇宙紅外背景具有10到100開爾文溫度的塵埃的光譜，也發生了紅移。塵埃輻射所代表的能量最終必須源於恆星和活動星系核。然而，宇宙紅外背景與宇宙光學背景一樣明亮，甚至更明亮。這就像月球（僅僅反射太陽光）比太陽（光線的來源）更亮一樣。這個悖論的邏輯解決方案，就像X射線悖論一樣，是宇宙中很大一部分輻射源被氣體和塵埃所籠罩。
為了證實這些推論，天文學家一直在研究不受任何遮蔽物質影響的波長的背景輻射——即硬X射線。這種強大的輻射穿過塵埃，就好像塵埃不存在一樣。現在在軌的兩大新型X射線天文臺，錢德拉X射線天文臺（具有極佳的角解析度）和XMM-牛頓（具有較大的望遠鏡面積），已經將ROSAT覆蓋的波段擴充套件到更高的能量，高達10 keV，儘管還沒有達到X射線背景的峰值。迄今為止最敏感的X射線巡天是由錢德拉在兩個天空區域進行的，即錢德拉南深場和哈勃北深場，分別由現在在約翰·霍普金斯大學的賈科尼和賓夕法尼亞州立大學的戈登·P·加米爾（Gordon P. Garmire）領導的團隊進行。這些巡天至少分解了80%的硬X射線背景。
光學匹配工作才剛剛開始。到目前為止，這些源是1型和2型活動星系核的混合，與模型非常一致。有趣的是，錢德拉發現的X射線源中約有10%是非常微弱的星系——據推測是不包含活動星系核的正常星系。它們的X射線輻射主要與恆星形成加熱的氣體有關。
你友好的鄰居超亮紅外星系 用於研究背景的兩種主要策略都有些不足。深入巡天將技術推向或超越了極限，而種群合成則相當抽象。因此，天文學家開發了第三種策略：在附近的宇宙中搜尋遙遠的2型星系的對應物。
他們在星系NGC 6240中找到了答案。它是銀河系附近的一顆害群之馬——一個被稱為超亮紅外星系（ULIRG）的奇異類別的成員。這些星系的大部分總能量輸出都在遠紅外波段，這是一個明顯的跡象，表明它們充滿了塵埃。由於塵埃由恆星中合成的重化學元素組成，並在恆星死亡時散佈到空間中，因此大量的塵埃意味著大量的恆星形成。
銀河系每年製造一些新的恆星，而NGC 6240肯定每年要製造數百顆。NGC 6240不僅受到恆星形成的困擾，還受到附近宇宙中最貪婪的黑洞之一的詛咒。
NGC 6240的整體光譜與宇宙背景的光譜形狀相同。它包含了我們解釋背景所需的所有成分，儘管我們仍然需要以正確的比例混合它們。
看到NGC 6240的樣子，天文學家已經意識到，早期宇宙中2型活動星系核的意外普遍存在有一個自然的解釋：活動星系核伴隨著恆星形成的爆發。恆星噴射出塵埃，這使得黑洞隱藏在我們的視線之外。事實上，越來越多的證據表明，恆星形成和黑洞的進食在過去比今天更為普遍。這兩個過程似乎在大致相同的宇宙歷史時期達到了頂峰。
為什麼活動星系核和恆星爆發會同時發生？目前尚無人知曉。這兩個過程很可能具有相同的基礎原因：星系碰撞，這導致氣體螺旋進入星系的中心，然後在那裡形成恆星或落入黑洞。幾乎所有超亮紅外星系，包括NGC 6240，都顯示出與另一個星系發生碰撞的跡象。另一方面，並非所有活動星系核都似乎與重大碰撞有關。
許多研究人員認為，活動星系核和恆星爆發之間的聯絡可能比僅僅擁有共同的燃料來源更為緊密。黑洞可以直接引發恆星形成的火焰，或者恆星可以幫助將物質輸送到黑洞中。恆星和超大質量黑洞甚至可能是共生的，彼此無法獨立存在。這些聯絡可能解釋了星系的性質及其中心黑洞之間的相關性[參見喬治·穆瑟（George Musser）的文章《大洞論》（The Hole Shebang），《大眾科學》，2000年10月]。
在對NGC 6240及其同類的研究的支援下，天文學家已經使用種群合成來檢視活動星系核和恆星爆發是否不僅可以解釋X射線背景，還可以解釋光學和紅外背景。答案似乎是否定的。錢德拉和SCUBA儀器（在遠紅外和無線電之間的亞毫米波長上觀測）的聯合觀測未能發現太多的重疊。蘇格蘭愛丁堡皇家天文臺的奧馬爾·阿爾邁尼（Omar Almaini）及其合作者估計，高達30%的宇宙紅外背景最終是由活動星系核產生的。哈辛格及其同事結合了XMM和紅外空間天文臺對洛克曼洞的測量，將活動星系核對紅外背景的貢獻下限設定為15%。
夏威夷希洛聯合天文中心的埃莉斯·N·阿奇博爾德（Elese N. Archibald）及其同事將這些發現解釋為星系形成的自然順序。在他們的設想中，每個星系都是圍繞一個相對較低質量（10到1000個太陽質量）的種子黑洞形成的。起初，恆星光主導著星系的總輸出，因為小黑洞仍然需要生長。黑洞透過儘可能快地吞噬物質呈指數級增長。大約5億年後，黑洞變得如此龐大——數十億個太陽質量——以至於落入的物質蓋過了恆星的光芒。一個類星體誕生了。過了一段時間，這個類星體吃掉了所有可用的燃料，並陷入沉睡，直到新的氣體落入中心，將其喚醒。黑洞也可能與另一個大小相似的黑洞合併。
可以肯定的是，一些研究人員認為我們可能仍然遺漏了一些關鍵的謎題，例如那些太分散而無法直接看到的星系，或者在星系形成之前形成的恆星[參見理查德·B·拉森（Richard B. Larson）和沃爾克·布羅姆（Volker Bromm）的文章《宇宙中的第一顆恆星》（The First Stars in the Universe），《大眾科學》，2001年12月]。已經有人提出除了活動星系核之外的源，用於解釋宇宙X射線背景的極高能尾部。例如，很大一部分伽馬射線可能是由宇宙大尺度結構形成過程中被彈射到極快速度的電子產生的。
需要進行更深入的調查，以理清導致背景輻射的各種過程。未來的天文臺——例如空間紅外望遠鏡設施（Space Infrared Telescope Facility）、赫歇爾遠紅外望遠鏡（Herschel Far-Infrared Telescope）、下一代空間望遠鏡（Next Generation Space Telescope）和阿塔卡馬大型毫米波陣列（Atacama Large Millimeter Array）——將需要用來研究X射線衛星探測到的一些天體。計劃中的XEUS任務進行的X射線光譜分析可能至關重要，因為它可能能夠僅從X射線資料中估計紅移，從而允許觀測那些被嚴重遮擋以至於在光學上完全不可見的天體。這樣的工作可能最終解釋星系與其中心黑洞之間神秘的聯絡，推斷出哪個先形成，並描述恆星形成與黑洞活動之間的關係。
明亮的夜空 對背景輻射的研究是一個典型的例子，說明天文學中的事物並非表面看起來的那樣。背景輻射的存在表明，儘管第一眼看上去，夜空並非完全黑暗。在人類歷史的大部分時間裡，夜空的黑暗被認為是理所當然的，問題是為什麼會這樣。在一個充滿恆星的無限宇宙中，每條視線最終都應該與一顆恆星的表面相遇。星光隨著距離的減弱應該恰好被你向外看時看到的恆星數量的增加所抵消，因此夜空應該像太陽表面一樣明亮。白天和黑夜應該融為一體。
這個被稱為奧爾伯斯佯謬的難題在1848年被埃德加·愛倫·坡解決了。在他的散文詩《尤里卡》中，他認為恆星一定沒有足夠的時間用光充滿宇宙。因此，夜空的黑暗告訴我們，宇宙並非永遠存在。這個假設不僅經受住了時間的考驗，最終還被證明對構建大爆炸理論至關重要。
儘管如此，夜晚並非漆黑一片；它瀰漫著宇宙背景輻射。雖然我們在解釋它方面取得了很大進展，但我們還有很多工作要做。19世紀的思想家不得不解釋為什麼夜空不亮，而現代宇宙學家必須弄清楚為什麼它不是完全黑暗的。