为什么夜空是黑色的，你能说明白吗？

夜晚，远离城市璀璨的灯光，我们看到的夜空，竟是如此的绚丽，呈现出如同无底深渊般的漆黑，其上镶嵌着点点星辰，令人浮想联翩。

美国犹他州拱门国家公园夜景
当我们赞叹这美丽夜空的同时，你可曾想过，为什么夜空是黑色的？

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夜空为什么是黑色的这个问题，是天文学发展历史上非常有名的问题，被称作奥伯斯佯谬（Olbers’ Paradox），由德国天文学家海因里希·奥伯斯于1823年提出。其实在他之前，很多人都想到了这个问题，包括著名天文学家开普勒就曾在1610年就提出了类似的想法。

约翰内斯·开普勒
奥伯斯指出，假如宇宙满足如下三点假设：1、稳定的；2、在大尺度上是均匀的；3、有无数的星星，那么天空中任何一点，最终都会收到遥远星体发出来的光，则夜晚的天空应该是明亮而不是黑暗的。正因为天空是黑的，则上述三点假设，必然至少有一点是不成立的。

海因里希·奥伯斯
假定宇宙是静态的，那么我们把宇宙以地球为中心分成无数个圈层，每个圈层上的星星发出来的光按照与地球距离的平方律衰减，同时每个圈层上星星的密度按平方律增加，因此每个圈层的星光从地球上来看是一样明亮的。

静态宇宙模型下距离与亮度的关系
由于宇宙中可以分出无数这样的圈层，那么四面八方而来的星光叠加起来，天空会变得很亮很亮。按照上述假说，有人计算过，夜空应该比我们现在观察到的一片漆黑亮上5000亿倍。我们可以从下面的动图效果来体验一下。

奥伯斯佯谬
现在大家已经知道，宇宙大爆炸理论可以很容易解释奥伯斯佯谬。宇宙是不断扩张中的，不是静态的，星体之间的距离在拉远，因此地球上收到的远处星体发出来的光，比近处星体的光更弱。因此，按照之前那个圈层的算法，从距离越远的圈层收到的光也越弱。

微波波段的夜空
另一方面，甚至是更重要的一点，宇宙扩张造成的红移使得可见光变成了红外甚至微波，肉眼看不到了。假如肉眼能看到微波的话，那么夜空就真的不是黑色的，而是明亮的。上图是微波波段的夜空，的确不是漆黑一片，而是明亮的。这就是著名的宇宙微波背景辐射，其中包含了宇宙诞生时大爆炸的余晖。

宇宙微波背景辐射
以上是夜空为什么是黑色的，这个问题的一个基本解释。但很多人会忽略一个要素，就是太空真的很空，缺少能够反光的粒子。地球白天的天空看起来是蓝色的，这是大气粒子对光的散射效果。而太空中的粒子密度太低，只有直射到地球的光才能被我们观察到。

智利拉西拉天文台拍摄到的黄道光
如果地球附近有一片星云的话，地球的夜空就会明亮许多。说到这里，你听说过黄道光吗？在夜空中靠近太阳的地方，沿着黄道带呈现出的白色微光，叫作黄道光。黄道面就是太阳系各大行星围绕太阳旋转的平面。

美丽的黄道光
在晴朗无月的夜里，黄道光能占到天空亮度的60%。实际上，夜空中的黄道光，正是太阳系内尘埃粒子反射阳光后形成的。人们长期以来不清楚黄道光的成因。2015年，科学家终于得出结论，地球附近反射黄道光的尘埃来源竟是火星上的沙尘暴。

火星沙尘暴实在是太牛了
但讲到这里，却并不是夜空为什么那么黑这个故事的结尾，反而是另一个开始。NASA的探测器新视野号大家还记得吧？2015年它飞掠了冥王星，然后又在2019飞掠了位于柯依伯带的小行星“天涯海角”，现名Arrokoth。柯依伯带是距离太阳30到50个天文单位之间的小行星带。

新视野号现在的位置
现在新视野号已经飞出了柯依伯带，也是第五个距离太阳超过50个天文单位的人类探测器。现在，新视野号拍摄的太空照片，能完全避开太阳及其附近尘埃的影响。在那里，新视野号上面的摄像机，面对的环境光比哈勃太空望远镜所处的环境光还要暗上10倍。

遥远的新视野号
2021年，NASA学者通过检查新视野号拍摄的最新照片，发现了一个非常奇怪的现象。当减去所有已知星体和星系，尤其是银河系，发出的光之后，得到了宇宙可见光背景。如果宇宙微波背景辐射是大爆炸发生45万年后的余晖，宇宙可见光背景则是这之后全宇宙星体发出的光的叠加。出人意料的是，新视野号拍摄到的宇宙可见光背景是预期亮度的两倍。

宇宙可见光背景
这多出来的光是从哪里来的呢？或许宇宙中有很多黯淡的我们不知道的星系？或许是很多流浪星球没有被我们发现？再有可能，是星系的光晕比预想的要高？总之，目前并没有一个很好的解释。

有些事情我们不知道我们不知道
今年七一前一天去世的美国前国防部长拉姆斯菲尔德，作为一个很有争议的人物，说过一段很有哲理的话：有些事情我们不知道我们不知道。宇宙可见光背景比我们预想得要亮，正属于我们不知道的不知道。