编者按：我们发布这篇来自2002年3月刊的专题文章，是因为在美国天文学会年会上传来了关于此处讨论现象的新闻。
每天的报纸似乎都会出现新的天文发现：新的天体、新的物理过程、新的物质形式。这些启示会永无止境吗？天文学家是否有一天会确信他们已经对宇宙进行了完整的清点？如果问题如此宽泛地提出，答案显然是否定的：天文学家已经知道，宇宙中并非所有事物都能直接看到，而且不可避免地会有新的惊喜。但是一个稍微狭窄的问题——天文学家是否会完成对恒星、星系和其他发光物质的计数？——则有不同的答案。天文学家确实会有一天能够解释宇宙中大部分的光，而这一天正在迅速逼近。
多年来，天文学家开发了一种质量控制检查方法，可以判断他们是否遗漏了任何重要的光源。其思路是研究一种大多数观测者都认为是麻烦的现象：所谓的背景辐射。当任何学科的科学家谈论“背景”时，他们通常指的是除了他们感兴趣的东西之外的一切。捕捉来自恒星辐射的望远镜不可避免地会收集来自远近其他天体的光。这种无关的光只会降低所需测量的精度。
我们这些研究背景辐射的人，正是把注意力集中在我们的同事试图忽略的东西上。我们首先将来自给定空间区域的所有光加起来。然后，我们系统地减去来自已知物体的贡献，如恒星、星系和气体云——统称为“前景”。如果还剩下一些东西，一些不确定来源的弥漫光晕，我们就知道我们对天体的普查仍然不完整。
有时，当物体间距非常接近，而望远镜缺乏足够的分辨率来区分它们时，就会观察到弥漫的光晕。以银河系为例，肉眼看来它是一片模糊。用一个简单的双筒望远镜，你可以看到模糊是由数百万个单独的光点组成的。有时，弥漫的光晕来自真正弥漫的源，例如我们太阳系的黄道尘埃或我们星系的气态超新星遗迹。我们星系和附近星系中的许多（但绝非全部）这些来源已被识别，因此它们可以被视为前景的一部分。来自我们星系之外，充满整个宇宙的辐射，是宇宙背景。
在过去五年中，随着望远镜的灵敏度和分辨率的显著提高，天文学家已经解释了越来越多的背景光晕。在此过程中，我们发现我们之前对宇宙的清点并不完整：例如，我们严重低估了超大质量黑洞的普遍性。它们远非曾经认为的孤立的怪事，而是无处不在。早期的研究遗漏了它们，因为它们被大量的尘埃所覆盖。随着这些黑洞现在被揭开，我们可能很快就能完全解释背景。
这并不是说我们将看到所有能看到的东西。我们不能像生物学家清点每一只甲虫那样列出每一个天体。但正如生物学家可以合理地声称知道所有主要类型的，例如，陆地哺乳动物一样，天文学家也正处于识别所有主要类别的发光物体的前夕。
不遗漏任何一丝细语 当天文爱好者听到“背景”一词时，他们会立刻想到著名的宇宙微波背景（CMB）。这种普遍存在的无线电辐射似乎具有真正的弥漫起源——即，一个在宇宙仅有40万年时充满宇宙的热等离子体。通过宇宙的膨胀，今天观察到的这种辐射的峰值波长约为1毫米，对应于2.7开尔文的温度。对宇宙微波背景的光谱和分布的研究为大爆炸理论提供了有力的证据。
然而，宇宙微波背景只是故事的一部分。整个电磁背景实际上是各种成分的混合物，每种成分都主导着特定的波长范围。除了宇宙微波背景之外，还有不太为人所知的宇宙X射线背景（CXB）、宇宙红外背景（CIB）和宇宙光学背景（COB）。
对这些成分的精确测量是观测天文学中最具挑战性的任务之一。从概念上讲，它看起来如此简单：观察天空以测量总信号，然后减去地球和深空宇宙之间所有已知来源（前景）：探测器的噪声、来自我们太阳系内的信号、来自银河系其余部分的辐射等等。此外，还必须校正前景对背景信号的任何衰减。
然而，以足够的精度执行所有这些减法是很棘手的；减法是一种会放大误差的操作。在某些波段，观测者很幸运，背景是天空中最亮的辐射，但在其他波段，他们必须从前景的轰鸣声中提取宇宙的细语。最常见的限制因素是天文学家了解前景辐射的准确性。他们试图通过专注于天空中完全没有恒星和其他已知前景的区域来回避这个问题——越无聊越好。尽管存在障碍，观测者现在已经在很宽的光谱范围内以相当高的精度确定了宇宙背景光谱。
X射线成分于1962年被发现，在大约30千电子伏特处有一个特征峰——大致对应于医疗X射线使用的波长——并且在高能方向有一个长尾，包括伽马射线。在约1千电子伏特以下，并叠加在这个连续谱上，是一些原子发射线，这些发射线似乎是加热到数百万开尔文的气体的指纹，最有可能位于我们星系内部或周围。
在20世纪70年代，第一批X射线卫星，如UHURU、ARIEL V和HEAO-1，显示高能X射线均匀地分布在天空中。因此，它的起源必须主要来自银河系外：如果它来自我们的太阳系或星系，亮度将在与行星或银盘的平面相对应的某些方向上强烈倾斜。伽马射线卫星，如SAS-3、COS-B和康普顿伽马射线天文台，在更高的能量下发现了类似的均匀性。
虽然宇宙微波背景和宇宙X射线背景在其各自的波段中主导着天空，但其他宇宙背景成分在其各自的波段中仅占辐射的一小部分。几年前，几个小组独立地在宇宙微波背景的高频尾部检测到了远红外背景信号[参见“黑暗中的光芒”，作者：George Musser；《大众科学》，1998年3月]。在近红外到中红外范围内，明亮的黄道光遮挡了背景，因此天文学家通常会求助于从其他波段插值测量结果。他们还从高能伽马射线的观测中得出了上限：太厚的红外光子雾会干扰伽马射线的传播。直到最近两年，观测者才在红外波长进行了直接测量。
在光学和紫外线方面，密歇根大学的丽贝卡·A·伯恩斯坦和她的同事于去年12月首次宣布了直接背景测量结果。在他们的工作之前，天文学家依靠对哈勃太空望远镜看到的最微弱星系的光进行求和得出的约束。在极端紫外线中，背景被星际介质遮挡，因此只能通过在紫外线和X射线测量之间插值来估计背景水平。
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隐藏在背景中 为了使用背景辐射作为质量控制检查，天文学家必须开发出将测量结果与预期结果进行比较的方法。这不是一件容易的事。背景代表来自各种天文物体的光线的复杂混合物。由热核聚变产生的星光主要局限于近红外、光学和紫外波长。类星体和其他活动星系核（AGN），它们的黑洞吸入物质并有效地将其引力能转化为辐射，在很宽的波段中发光，从无线电到伽马波长。尘埃云吸收光学、紫外线和X射线，并在远红外线中重新辐射能量。更复杂的是，背景将来自宇宙距离和演化阶段截然不同的物体的光混合在一起。
一种策略是对天空进行密集调查——以尽可能高的分辨率和灵敏度进行观测，从而确定背景的特定来源。通过比较在不同波长下进行的发现，我们可以确定这些来源是什么类型的物体。然而，这种直接的方法只能对天空非常有限区域中相对较亮的物体实现所需的精度。对于更广阔的图景，我们转向第二种称为人口合成的技术：计算可能的物体组合的预期辐射，将此预测与背景测量值进行比较，并继续尝试不同的组合，直到找到一个似乎匹配的组合。
由于宇宙X射线背景（CXB）是最早被发现的背景辐射，因此对它的研究也比其他背景成分更多。最基本的问题——宇宙X射线背景是来自未分辨的源，还是一种迄今未知的弥散气体？——争论了三十年[参见布鲁斯·马贡（Bruce Margon）的文章《宇宙X射线背景的起源》（The Origin of the Cosmic X-ray Background），《大众科学》，1983年1月]。在20世纪90年代，一个间接的论证最终解决了这个问题。如果宇宙X射线背景来自热星系际气体，那么这种气体也应该像一个屏障一样，扭曲我们对宇宙微波背景的观测。宇宙微波背景的频谱将因此偏离完美的黑体辐射。然而，宇宙微波背景的观测，特别是宇宙背景探测者卫星（Cosmic Background Explorer satellite）的观测，没有发现这种偏离。因此，只有一小部分的X射线背景可能来自这种气体；较冷的气体可能会有所贡献，但在大多数情况下，宇宙X射线背景必须代表着未知的离散源。
但是这些源可能是什么呢？首次为解答这个问题而进行的深入巡天观测是在20世纪80年代初，由爱因斯坦X射线卫星（HEAO-2）进行，由宇宙X射线背景的发现者里卡多·贾科尼（Riccardo Giacconi）等人进行。他们将大约五分之一的X射线背景分解成了离散的源，包括类星体。ROSAT卫星跟进了这项工作。1984年，由贾科尼、马丁·施密特（Maarten Schmidt，类星体的发现者）、约阿希姆·特鲁珀（Joachim Trümper，ROSAT之父）以及我们中的一位（哈辛格）组成的科学家小组在德国加兴的马克斯·普朗克地外物理研究所会面，开始规划利用该卫星进行深空巡天。在1990年ROSAT发射后，这些巡天成为一项历时十余年，涉及大量合作者的重大事业，其数量之多我们无法在此一一列举。
对所谓的洛克曼洞（Lockman Hole）进行的ROSAT深空巡天——一个靠近北斗七星、几乎没有前景吸收的区域——是有史以来最长、最深的X射线加光学观测之一。它们在低于2 keV的能量范围内，即天文学家称之为软X射线的范围，分解了80%的X射线背景。主要的瓶颈在于进行光学识别。我们必须在深空光学图像上寻找X射线源的对应物，而它们往往极其微弱。然后我们必须获得它们的光谱，从而揭示这些物体的性质以及它们的红移，这是衡量距离的指标。如果没有巨型凯克望远镜，这项工作是不可能完成的，但即使是其10米口径的反射镜也很难收集到足够的光来测量最微弱光学对应物的光谱。
大约80%的ROSAT源被证明是各种类型的活动星系核——主要是明亮的类星体和所谓的赛弗特1型星系。这些活动星系核光谱中的宽发射线表明，我们可以清楚地看到它们最内部的区域，那里是巨型黑洞吞噬物质的地方。
尘埃缠绕 然而，其余的活动星系核只显示出窄发射线或者根本没有发射线——这表明气体和尘埃阻挡了我们对它们中心黑洞的视线。它们被归类为2型类星体或赛弗特2型星系。第二种类型的存在在活动星系核的“统一模型”框架中是有意义的。统一模型在20世纪80年代中期提出，假设所有活动星系核不仅包含一个中心黑洞，还包含一个气体和尘埃环面。根据这个环面的方向，它可以隐藏黑洞。该模型此后得到了更新，但基本预测保持不变：我们感知到的是不受遮挡的（1型）或受遮挡的（2型）活动星系核。
尽管这些软X射线巡天表明活动星系核是X射线背景的主要来源，但随着天文学家开始采用他们的第二种策略来理解背景——即种群合成，一个明显的悖论出现了。当天文学家根据观测到的比例将不同类型的活动星系核的光谱加在一起时，结果应该等于宇宙X射线背景的光谱。但事实并非如此。活动星系核的光谱呈平坦或碗状，而宇宙X射线背景的光谱在30 keV处有一个峰值。
1989年，意大利博洛尼亚大学的吉安卡洛·塞蒂（Giancarlo Setti）和法国上普罗旺斯天文台的洛·沃尔特（Lo Woltjer）提出了解决这一差异的方法，当时他们在德国加兴的欧洲南方天文台一起工作。他们假设种群合成模型没有以正确的比例加入活动星系核。与人们之前的想法相反，X射线背景的大多数来源可能是2型活动星系核。较高能量（所谓的硬）X射线可以穿透这些黑洞周围的尘埃和气体，而软X射线则被吸收。通过这种方式，整体宇宙X射线背景光谱将不同于明亮活动星系核的光谱。
基于这个想法，种群合成建模者寻求1型和2型活动星系核的正确混合比例，以便解释宇宙X射线背景光谱，同时考虑到这些物体如何随时间演化。正如当时在马克斯·普朗克地外物理研究所的安德烈亚·科马斯特里（Andrea Comastri）及其同事在1995年所展示的那样，如果黑洞产生的能量绝大部分（80%到90%）被厚厚的云层和尘埃所遮蔽，那么这样的模型可以重现高达约300 keV的光谱。如果是这样，那么这些巨兽在早期宇宙中比今天多100倍——这个数字与它们几乎在所有星系中形成的情况相符。如果不是因为宇宙X射线背景，它们可能不会被注意到。
一个相关的悖论涉及到光学和红外背景（分别为宇宙光学背景（COB）和宇宙红外背景（CIB））。宇宙光学背景很可能是恒星辐射的总和，随着宇宙膨胀而发生红移。另一方面，宇宙红外背景具有10到100开尔文温度的尘埃的光谱，也发生了红移。尘埃辐射所代表的能量最终必须源于恒星和活动星系核。然而，宇宙红外背景与宇宙光学背景一样明亮，甚至更明亮。这就像月球（仅仅反射太阳光）比太阳（光线的来源）更亮一样。这个悖论的逻辑解决方案，就像X射线悖论一样，是宇宙中很大一部分辐射源被气体和尘埃所笼罩。
为了证实这些推论，天文学家一直在研究不受任何遮蔽物质影响的波长的背景辐射——即硬X射线。这种强大的辐射穿过尘埃，就好像尘埃不存在一样。现在在轨的两大新型X射线天文台，钱德拉X射线天文台（具有极佳的角分辨率）和XMM-牛顿（具有较大的望远镜面积），已经将ROSAT覆盖的波段扩展到更高的能量，高达10 keV，尽管还没有达到X射线背景的峰值。迄今为止最敏感的X射线巡天是由钱德拉在两个天空区域进行的，即钱德拉南深场和哈勃北深场，分别由现在在约翰·霍普金斯大学的贾科尼和宾夕法尼亚州立大学的戈登·P·加米尔（Gordon P. Garmire）领导的团队进行。这些巡天至少分解了80%的硬X射线背景。
光学匹配工作才刚刚开始。到目前为止，这些源是1型和2型活动星系核的混合，与模型非常一致。有趣的是，钱德拉发现的X射线源中约有10%是非常微弱的星系——据推测是不包含活动星系核的正常星系。它们的X射线辐射主要与恒星形成加热的气体有关。
你友好的邻居超亮红外星系 用于研究背景的两种主要策略都有些不足。深入巡天将技术推向或超越了极限，而种群合成则相当抽象。因此，天文学家开发了第三种策略：在附近的宇宙中搜寻遥远的2型星系的对应物。
他们在星系NGC 6240中找到了答案。它是银河系附近的一颗害群之马——一个被称为超亮红外星系（ULIRG）的奇异类别的成员。这些星系的大部分总能量输出都在远红外波段，这是一个明显的迹象，表明它们充满了尘埃。由于尘埃由恒星中合成的重化学元素组成，并在恒星死亡时散布到空间中，因此大量的尘埃意味着大量的恒星形成。
银河系每年制造一些新的恒星，而NGC 6240肯定每年要制造数百颗。NGC 6240不仅受到恒星形成的困扰，还受到附近宇宙中最贪婪的黑洞之一的诅咒。
NGC 6240的整体光谱与宇宙背景的光谱形状相同。它包含了我们解释背景所需的所有成分，尽管我们仍然需要以正确的比例混合它们。
看到NGC 6240的样子，天文学家已经意识到，早期宇宙中2型活动星系核的意外普遍存在有一个自然的解释：活动星系核伴随着恒星形成的爆发。恒星喷射出尘埃，这使得黑洞隐藏在我们的视线之外。事实上，越来越多的证据表明，恒星形成和黑洞的进食在过去比今天更为普遍。这两个过程似乎在大致相同的宇宙历史时期达到了顶峰。
为什么活动星系核和恒星爆发会同时发生？目前尚无人知晓。这两个过程很可能具有相同的基础原因：星系碰撞，这导致气体螺旋进入星系的中心，然后在那里形成恒星或落入黑洞。几乎所有超亮红外星系，包括NGC 6240，都显示出与另一个星系发生碰撞的迹象。另一方面，并非所有活动星系核都似乎与重大碰撞有关。
许多研究人员认为，活动星系核和恒星爆发之间的联系可能比仅仅拥有共同的燃料来源更为紧密。黑洞可以直接引发恒星形成的火焰，或者恒星可以帮助将物质输送到黑洞中。恒星和超大质量黑洞甚至可能是共生的，彼此无法独立存在。这些联系可能解释了星系的性质及其中心黑洞之间的相关性[参见乔治·穆瑟（George Musser）的文章《大洞论》（The Hole Shebang），《大众科学》，2000年10月]。
在对NGC 6240及其同类的研究的支持下，天文学家已经使用种群合成来查看活动星系核和恒星爆发是否不仅可以解释X射线背景，还可以解释光学和红外背景。答案似乎是否定的。钱德拉和SCUBA仪器（在远红外和无线电之间的亚毫米波长上观测）的联合观测未能发现太多的重叠。苏格兰爱丁堡皇家天文台的奥马尔·阿尔迈尼（Omar Almaini）及其合作者估计，高达30%的宇宙红外背景最终是由活动星系核产生的。哈辛格及其同事结合了XMM和红外空间天文台对洛克曼洞的测量，将活动星系核对红外背景的贡献下限设定为15%。
夏威夷希洛联合天文中心的埃莉斯·N·阿奇博尔德（Elese N. Archibald）及其同事将这些发现解释为星系形成的自然顺序。在他们的设想中，每个星系都是围绕一个相对较低质量（10到1000个太阳质量）的种子黑洞形成的。起初，恒星光主导着星系的总输出，因为小黑洞仍然需要生长。黑洞通过尽可能快地吞噬物质呈指数级增长。大约5亿年后，黑洞变得如此庞大——数十亿个太阳质量——以至于落入的物质盖过了恒星的光芒。一个类星体诞生了。过了一段时间，这个类星体吃掉了所有可用的燃料，并陷入沉睡，直到新的气体落入中心，将其唤醒。黑洞也可能与另一个大小相似的黑洞合并。
可以肯定的是，一些研究人员认为我们可能仍然遗漏了一些关键的谜题，例如那些太分散而无法直接看到的星系，或者在星系形成之前形成的恒星[参见理查德·B·拉森（Richard B. Larson）和沃尔克·布罗姆（Volker Bromm）的文章《宇宙中的第一颗恒星》（The First Stars in the Universe），《大众科学》，2001年12月]。已经有人提出除了活动星系核之外的源，用于解释宇宙X射线背景的极高能尾部。例如，很大一部分伽马射线可能是由宇宙大尺度结构形成过程中被弹射到极快速度的电子产生的。
需要进行更深入的调查，以理清导致背景辐射的各种过程。未来的天文台——例如空间红外望远镜设施（Space Infrared Telescope Facility）、赫歇尔远红外望远镜（Herschel Far-Infrared Telescope）、下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope）和阿塔卡马大型毫米波阵列（Atacama Large Millimeter Array）——将需要用来研究X射线卫星探测到的一些天体。计划中的XEUS任务进行的X射线光谱分析可能至关重要，因为它可能能够仅从X射线数据中估计红移，从而允许观测那些被严重遮挡以至于在光学上完全不可见的天体。这样的工作可能最终解释星系与其中心黑洞之间神秘的联系，推断出哪个先形成，并描述恒星形成与黑洞活动之间的关系。
明亮的夜空 对背景辐射的研究是一个典型的例子，说明天文学中的事物并非表面看起来的那样。背景辐射的存在表明，尽管第一眼看上去，夜空并非完全黑暗。在人类历史的大部分时间里，夜空的黑暗被认为是理所当然的，问题是为什么会这样。在一个充满恒星的无限宇宙中，每条视线最终都应该与一颗恒星的表面相遇。星光随着距离的减弱应该恰好被你向外看时看到的恒星数量的增加所抵消，因此夜空应该像太阳表面一样明亮。白天和黑夜应该融为一体。
这个被称为奥尔伯斯佯谬的难题在1848年被埃德加·爱伦·坡解决了。在他的散文诗《尤里卡》中，他认为恒星一定没有足够的时间用光充满宇宙。因此，夜空的黑暗告诉我们，宇宙并非永远存在。这个假设不仅经受住了时间的考验，最终还被证明对构建大爆炸理论至关重要。
尽管如此，夜晚并非漆黑一片；它弥漫着宇宙背景辐射。虽然我们在解释它方面取得了很大进展，但我们还有很多工作要做。19世纪的思想家不得不解释为什么夜空不亮，而现代宇宙学家必须弄清楚为什么它不是完全黑暗的。