黑暗有多暗？
当你在晴朗、无月的夜晚外出时，你不仅可以看到许多星星，还可以看到星星之间的黑色空间——字面意义上的空间。鉴于你可以看到星星并且天空是黑色的，你可能会认为天空是透明的。但事实并非如此——至少，并非真的如此。
各种分子、原子和微粒漂浮在空气中，这些物质会反射光线。白天，进入大气层的阳光被氮气和氧气等分子以或多或少的随机角度散射，就像弹球从缓冲器上弹开一样，因此无论你看向天空的哪个方向，都会看到阳光朝你照射。复杂的物理学原理使这些分子散射的蓝光多于红光，从而使天空呈现蔚蓝色。
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白天，天空被这种光线照得如此明亮，以至于看不到星星（好吧，除了太阳）。它们太微弱了。晚上，太阳落山后，散射光减弱，天空变暗。但天空会变得完全黑暗吗——也就是说，星星之间绝对没有光线射出吗？
不会。即使在晚上，天空中也有一些光线。当然，有月亮，而且，根据你居住的地点，光线可能来自城市灯光、路灯、汽车前灯和其他人造光源，这些光源创造了我们所说的光污染。你离这些光源越远，夜空就会越暗。
但即使如此，也存在一个极限，因为天空本身就会发光！白天，高层大气中的氧气和氮气分子被来自太阳的紫外线激发，它们以柔和的夜间辉光释放能量。有时，这些元素的原子相互碰撞并结合成分子，再次发出微弱的光。这两个过程都有助于形成所谓的气辉，例如，从轨道照片中可以看到地平线上方的彩色弧线。从地面拍摄的长曝光照片也可以显示出气辉。
天文学家一直在努力观察天空中微弱的物体，从太阳系中的小物体到遥远的星系，以至于思考它们的距离会让你感到头疼。这就是为什么天文台往往远离文明，那里天空最黑暗。这确实使得建造和操作它们有些不便，但这样做在科学上是值得的。
当然，天文学家是科学家，所以他们喜欢用他们可以进行的实际测量来量化他们的观测结果。当他们观察天空亮度时——他们称之为天空背景——他们使用单位面积天空的亮度单位：在给定的天体区域上散布了多少光。在技术术语中，它以每平方角秒星等来衡量，通常写为 mag/arcsec2。（星等是天文学家偏爱的用于表示亮度的奇怪单位——数字越大，物体就越暗。角秒是天空中一个非常小的角度；满月的面积超过两百万平方角秒。）
在乡村地区，一个相当黑暗的观测点的天空背景约为 21 mag/arcsec2。在科罗拉多州落基山脉，我去过比这更黑暗的地方，那里真是太壮观了。可以看到成千上万颗星星，银河系就像一条光河横跨天空。在地球上最黑暗的地方，远离人类浪费的射向天空的光线，背景可以暗到 22 mag/arcsec2。我非常想在这样的地方，在一个无月的夜晚，带着我的双筒望远镜和天文望远镜去看看！那感觉一定像是在太空。
这引出了一个引人入胜且经常被忽视的观点：即使在太空中，天空也不是完全黑暗的。当然，在所有气辉之上，天空要暗得多，从而可以看到更微弱的物体——这是我们将望远镜送入地球或太阳轨道的一个重要原因。哈勃太空望远镜远非有史以来建造的最大的天文台，但它所享有的黑暗背景赋予了它看到极其微弱物体的能力。
因为哈勃望远镜绕地球运行，所以它仍然位于太阳系深处。而且，尽管名字如此，但太阳周围的空间并非真正空旷：那里有很多垃圾，主要是彗星在接近我们的恒星时碎裂释放的尘埃。阳光散射到这些行星际尘埃上被称为黄道光，约为 24.5 mag/arcsec2。这真的非常微弱，但在某些情况下，从非常黑暗的地方仍然可以用肉眼看到黄道光。（事实上，我的愿望清单之一就是有一天亲眼看看它。）
这意味着，如果你想真正了解天空有多亮，你需要离开内太阳系。最好尽可能地走得更远。
事实证明，天文学家已经做到了。新视野号探测器于 2015 年飞越冥王星，传回了关于这个柯伊伯带天体（以前被称为行星）的惊人图像和其他数据。新视野号实际上走得非常远，以至于它将太阳、地球和彗星尘埃的背景辉光都抛在了身后，使我们第一次看到了真正黑暗、几乎是星际的天空。该探测器使用其远程侦察成像仪 LORRI，对大约十几个不同的天空区域进行了深度成像，每个区域都位于银河系尘埃弥漫的圆盘上方和远处，以最大限度地减少任何不必要的银河系辉光。
一旦图像被发送到地球，天文学家就减去了所有来自恒星和银河系内外尘埃反射的残留光线，并将他们的结果发表在了《天体物理学杂志》上。他们发现，极其弥散的背景辉光非常微弱：首席作者，来自太空望远镜科学研究所的马克·波斯特曼告诉我，它只有 27.42 mag/arcsec2。这大约是地球上最黑暗的地方所看到的辉光的 1%！
尽管如此，它仍然足以测量，这意味着它有一个真实的物理来源。排除了所有其他可能性，天文学家得出结论，这种光来自散布在整个宇宙中的极其微弱的背景星系。就像数十亿颗肉眼看不见的恒星共同融合从而在我们天空中创造出银河系明亮的光芒一样，这些遥远的星系结合了它们超微弱的光，形成了天文学家所说的宇宙光学背景。
这种微弱发光的背景也在其他波长中被观察到，尽管通常来自截然不同的物体或过程。高能伽马射线中的背景很可能是由大质量恒星爆炸并发出宇宙射线，宇宙射线与星系内部的气体相互作用，使其发光引起的。宇宙 X 射线背景可能来自宇宙学距离上活跃吸积物质并释放能量的超大质量黑洞。红外背景是由遥远的星系引起的，这些星系被尘埃笼罩，尘埃吸收来自恒星的光并在红外波长中重新辐射出来。宇宙微波背景是大爆炸本身遗留下来的辉光，并且对于发现宇宙有一个明确的起点至关重要。
宇宙中充满了在整个电磁频谱中发光的星系，创造了最终的暗天空极限。下次你在户外仰望黑暗时，花点时间来欣赏“黑暗”是相对的概念。你眼中的黑色天空在天文学家看来截然不同，他们可以利用这个事实来掌握宇宙的组成部分。