黑暗有多暗？
當你在晴朗、無月的夜晚外出時，你不僅可以看到許多星星，還可以看到星星之間的黑色空間——字面意義上的空間。鑑於你可以看到星星並且天空是黑色的，你可能會認為天空是透明的。但事實並非如此——至少，並非真的如此。
各種分子、原子和微粒漂浮在空氣中，這些物質會反射光線。白天，進入大氣層的陽光被氮氣和氧氣等分子以或多或少的隨機角度散射，就像彈球從緩衝器上彈開一樣，因此無論你看向天空的哪個方向，都會看到陽光朝你照射。複雜的物理學原理使這些分子散射的藍光多於紅光，從而使天空呈現蔚藍色。
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白天，天空被這種光線照得如此明亮，以至於看不到星星（好吧，除了太陽）。它們太微弱了。晚上，太陽落山後，散射光減弱，天空變暗。但天空會變得完全黑暗嗎——也就是說，星星之間絕對沒有光線射出嗎？
不會。即使在晚上，天空中也有一些光線。當然，有月亮，而且，根據你居住的地點，光線可能來自城市燈光、路燈、汽車前燈和其他人造光源，這些光源創造了我們所說的光汙染。你離這些光源越遠，夜空就會越暗。
但即使如此，也存在一個極限，因為天空本身就會發光！白天，高層大氣中的氧氣和氮氣分子被來自太陽的紫外線激發，它們以柔和的夜間輝光釋放能量。有時，這些元素的原子相互碰撞並結合成分子，再次發出微弱的光。這兩個過程都有助於形成所謂的氣輝，例如，從軌道照片中可以看到地平線上方的彩色弧線。從地面拍攝的長曝光照片也可以顯示出氣輝。
天文學家一直在努力觀察天空中微弱的物體，從太陽系中的小物體到遙遠的星系，以至於思考它們的距離會讓你感到頭疼。這就是為什麼天文臺往往遠離文明，那裡天空最黑暗。這確實使得建造和操作它們有些不便，但這樣做在科學上是值得的。
當然，天文學家是科學家，所以他們喜歡用他們可以進行的實際測量來量化他們的觀測結果。當他們觀察天空亮度時——他們稱之為天空背景——他們使用單位面積天空的亮度單位：在給定的天體區域上散佈了多少光。在技術術語中，它以每平方角秒星等來衡量，通常寫為 mag/arcsec2。（星等是天文學家偏愛的用於表示亮度的奇怪單位——數字越大，物體就越暗。角秒是天空中一個非常小的角度；滿月的面積超過兩百萬平方角秒。）
在鄉村地區，一個相當黑暗的觀測點的天空背景約為 21 mag/arcsec2。在科羅拉多州落基山脈，我去過比這更黑暗的地方，那裡真是太壯觀了。可以看到成千上萬顆星星，銀河系就像一條光河橫跨天空。在地球上最黑暗的地方，遠離人類浪費的射向天空的光線，背景可以暗到 22 mag/arcsec2。我非常想在這樣的地方，在一個無月的夜晚，帶著我的雙筒望遠鏡和天文望遠鏡去看看！那感覺一定像是在太空。
這引出了一個引人入勝且經常被忽視的觀點：即使在太空中，天空也不是完全黑暗的。當然，在所有氣輝之上，天空要暗得多，從而可以看到更微弱的物體——這是我們將望遠鏡送入地球或太陽軌道的一個重要原因。哈勃太空望遠鏡遠非有史以來建造的最大的天文臺，但它所享有的黑暗背景賦予了它看到極其微弱物體的能力。
因為哈勃望遠鏡繞地球執行，所以它仍然位於太陽系深處。而且，儘管名字如此，但太陽周圍的空間並非真正空曠：那裡有很多垃圾，主要是彗星在接近我們的恆星時碎裂釋放的塵埃。陽光散射到這些行星際塵埃上被稱為黃道光，約為 24.5 mag/arcsec2。這真的非常微弱，但在某些情況下，從非常黑暗的地方仍然可以用肉眼看到黃道光。（事實上，我的願望清單之一就是有一天親眼看看它。）
這意味著，如果你想真正瞭解天空有多亮，你需要離開內太陽系。最好儘可能地走得更遠。
事實證明，天文學家已經做到了。新視野號探測器於 2015 年飛越冥王星，傳回了關於這個柯伊伯帶天體（以前被稱為行星）的驚人影像和其他資料。新視野號實際上走得非常遠，以至於它將太陽、地球和彗星塵埃的背景輝光都拋在了身後，使我們第一次看到了真正黑暗、幾乎是星際的天空。該探測器使用其遠端偵察成像儀 LORRI，對大約十幾個不同的天空區域進行了深度成像，每個區域都位於銀河系塵埃瀰漫的圓盤上方和遠處，以最大限度地減少任何不必要的銀河系輝光。
一旦影像被髮送到地球，天文學家就減去了所有來自恆星和銀河系內外塵埃反射的殘留光線，並將他們的結果發表在了《天體物理學雜誌》上。他們發現，極其彌散的背景輝光非常微弱：首席作者，來自太空望遠鏡科學研究所的馬克·波斯特曼告訴我，它只有 27.42 mag/arcsec2。這大約是地球上最黑暗的地方所看到的輝光的 1%！
儘管如此，它仍然足以測量，這意味著它有一個真實的物理來源。排除了所有其他可能性，天文學家得出結論，這種光來自散佈在整個宇宙中的極其微弱的背景星系。就像數十億顆肉眼看不見的恆星共同融合從而在我們天空中創造出銀河系明亮的光芒一樣，這些遙遠的星系結合了它們超微弱的光，形成了天文學家所說的宇宙光學背景。
這種微弱發光的背景也在其他波長中被觀察到，儘管通常來自截然不同的物體或過程。高能伽馬射線中的背景很可能是由大質量恆星爆炸併發出宇宙射線，宇宙射線與星系內部的氣體相互作用，使其發光引起的。宇宙 X 射線背景可能來自宇宙學距離上活躍吸積物質並釋放能量的超大質量黑洞。紅外背景是由遙遠的星系引起的，這些星系被塵埃籠罩，塵埃吸收來自恆星的光並在紅外波長中重新輻射出來。宇宙微波背景是大爆炸本身遺留下來的輝光，並且對於發現宇宙有一個明確的起點至關重要。
宇宙中充滿了在整個電磁頻譜中發光的星系，創造了最終的暗天空極限。下次你在戶外仰望黑暗時，花點時間來欣賞“黑暗”是相對的概念。你眼中的黑色天空在天文學家看來截然不同，他們可以利用這個事實來掌握宇宙的組成部分。