“五百年前，人类还为地球是不是宇宙的中心争论不休。通过对火星轨道的观测，尤其开始使用犀利的望远镜后，太阳是我们宇宙中心的事实，终于尘埃落定。望远镜也像魔镜一样，打开人类的视野，直直伸向几近无穷的苍穹。”
当我们想象宇宙时，脑海中出现的画面或许是一个稳定、大小不变的超级巨大球体，这个球体内充满了均匀分布的恒星。事实上，爱因斯坦（Albert Einstein）所想象的宇宙图景也是这样一幅画面。1917年，爱因斯坦将刚提出不久的颠覆性引力理论——广义相对论应用在整个宇宙上，他想知道，宇宙是否如他想象的那样是静态的。然而，方程却告诉他一个截然不同的答案：宇宙并不稳定！无论宇宙球是如何开始的，它最终会坍缩到一个点。恒星之间的引力作用，会将一切都向内拉。为了得到一个静态的宇宙解，爱因斯坦在广义相对论的核心方程中引入了一个新的项——宇宙学常数。宇宙学常数非常小，以至于无法在太阳系尺度上被探测到。但在宇宙学尺度，它会产生微小且稳定的排斥力——足以抵消恒星之间的引力吸引，防止宇宙坍缩。但随后，越来越多的理论证据表明，爱因斯坦的图景是错误的。例如，上个世纪20年代初，弗里德曼（Alexander Friedmann）就在研究了广义相对论后发现，球体宇宙只是理论所允许的众多可能性之一。弗里德曼得到的解包含了膨胀和收缩的宇宙，并且允许宇宙的曲率为正、负和零。然而，爱因斯坦仍然不愿意放弃他的静态宇宙。直到1931年，当所有的观测都表明宇宙确实在膨胀时，他才改变了想法。尽管爱因斯坦没有得到正确的结论，但爱因斯坦于1917年发表的论文，却为现代宇宙学打下了坚实的理论基础。随着理论和观测技术的发展，在过去的100年里，我们对宇宙的认知也一次次的被刷新。爱因斯坦最为人知的当然是他的相对论。相对论中有个重要概念，就是能量和物质的转换。当时核物理尚未出现，离第一颗原子弹爆炸还有40年，他就先把原子弹的核心物理放在那，等以后的人类使用。他的理论说，能量E和物质静止时的质量m，可透过公式E=mc²互相转换(c 为光的速度 )。一小块东西如果完全依这个公式转变成能量，将巨大无比，是核能的来源。经由现代粒子加速器中实验证实，光能量也可称光子能量，和物质质量间的互相转换，的确有如阳光大道，畅通无阻。爱因斯坦看得很清楚，物质和能量既然这么容易互相转换，那能量（即光子）也应像物质一样，受万有引力控制。飞在天上的东西最终会往地下掉，光自然也该朝有重力场的方向弯曲吧?星光向太阳方向弯曲的现象，在1919年日全食时，扎扎实实地被人类测量到了。爱因斯坦的预言被证实，一夜之间使他成为人类有史以来最为人知的科学家。这个物理实验，惊天地，泣鬼神!自此，光子与重力齐飞，能量共物质一色。但到现在人们还常问，宇宙以强势的“大爆炸”拉开序幕时，就只有那么一团“热气”，看不到以后遍布宇宙的物质材料，像星星、月亮、高山、大海什么的，它们从哪来的呢?宇宙“大爆炸”上台时，全身披挂的就是那团电磁波能量的“热气”爆炸后膨胀，一膨胀就开始冷却、降温。在不同温度，经由能量转换特定质量的公式，开始将光能量转化为物质，制造出许多各类粒子和反粒子如质子和反质子，电子和反电子(正电子)等。重的粒子如中子，在温度约11亿度时，由能量转换成稳定物质。轻的如电子等，会在较低的温度稳定出现，皆按爱因斯坦给我们的物理定律现身和办事。请想象一下，你躺在床上，关掉了灯，拉上了遮光窗帘，准备睡个好觉。然而，即使关掉了全部光源，房间里仍然弥漫着一片辉光。这辉光从何而来呢？
这就是天文学家发现自己所处的谜团，而他们的“房间”是整个宇宙。即使在关灯之后——也就是说，考虑到可能影响测量的所有光源——美国航天局（NASA）新视野号（New Horizons）探测器上的远程勘测成像仪（Long Range Reconnaissance Imager, LORRI）仍然观测到可见的辉光。
有一些辉光是在预料之中的。与宇宙大爆炸的残余辐射不同，天文学家预期辉光是来自不同光源的背景混合，例如昏暗和遥远的恒星和星系。由于相机无法单独探测到它们当中最微弱的那些光源，所以这些光就组合形成了河外背景光 （extragalactic background light, EBL）。
天文学家对发现河外背景光并不感到惊讶——事实上，他们花了几十年的时间寻找它。真正令人惊讶的是它的亮度。使用远程勘测成像仪，研究人员发现背景辉光是模型预测的两倍。如果这一结果成立，它们最终可能会揭示恒星和星系的宇宙历史——甚至更为奇特的物质——可能比我们原以为的更多。
空间之间 | 一些天文学家发现，在恒星和星系之间的空间中，有一种微妙的辉光（图中不可见），无法用遥远的——因此无法分辨的——恒星和星系来解释。这种背景光的来源是什么呢？
宇宙大爆炸时的那团“热气”，没有爱因斯坦的能量和物质互相转换的理论，人类就无法知道宇宙中物质如何出现。爱因斯坦老早将理论摆在那等了好几十年，才被人类用在宇宙起源上。爱因斯坦的光子能量，除了能由“热气”变成粒子外，还有另一个惊天动地的特性，就是，光子在宇宙中跑的速度恒定不变。在爱因斯坦之前，19世纪的人类，认为光的传播需要介质或载体。水波要在水中才能传播，那么光也得需要介质，即以太(ether)，才能传播才是。光在以太中传播的速度，应和以太本身的速度有关。换言之，只要以太这类介质存在，光在以太中传播的速度就可快可慢。于是人类开始辛苦地在宇宙中寻找以太，但最后竟然发现宇宙中没有以太这玩意儿。以太不存在，给了爱因斯坦灵感，就要求光在宇宙中传播速度恒定。( 作者注: 光速恒定，对测量光速的坐标轴有一定的要求，下文再讨论。)速度一般以距离除以时间来计算。现在光速不变，那对距离和时间的要求就要放松。于是，爱因斯坦的相对论中，时间和空间都可伸缩，以达到光速恒定不变的要求。牛顿力学中，空间是空间，时间是时间，两者之间没有瓜葛互动，只管自己，以绝对分离状态，亘古独立地流动。现在爱因斯坦要求光速恒定，时间空间都能伸缩，他更进一步把时间的一维空间和空间的三维空间缝织在一起。时间与空间混合，你中有我，我中有你，时空伸缩有序，太神奇了。爱因斯坦一下子，又把人类带上了个更高大的宇宙平台。爱因斯坦的宇宙表面看来和牛顿的一样，因万有引力都得向收缩塌陷的方向倾斜。爱因斯坦的相对论再伟大，还是不得不继承牛顿静止宇宙的魔咒，只好铆足了劲，让高速相对运转的天体紧急刹车，以期产牛静止宇宙的现象。于是，简单美丽的广义相对论公式，就硬被加上了一条无关的反重力场的“宇宙常数”( cosmological constant) 尾巴。爱因斯坦的宇宙，是一个四维空间的时空几何结构，其中含有一般三维空间曲率概念。在每个计算中，曲率数值可预设: 膨胀(马鞍形)宇宙曲率为负值，收缩(球形)宇宙曲率为正值，不胀不缩(平直)宇宙曲率为零。爱因斯坦的相对论公式看起来简单，但实为一个4 x 4=16个公式同时成立的张量联立方程式(作者注:其中6个重复，实得10个独立方程式 )，要代代专家努力理论解读，应用于特殊案例，才能一窥天庭庙堂的奥秘。比如“黑”也是广义相对论公式的特殊案例。史瓦兹西产德( KarSchwarzschild，1873-1916)以爱因斯坦相对论导出黑洞数学理论但爱因斯坦本人并不接受这类神秘天体存在的说法。又如，重力场在旋转天体附近，几何形状就会像水流涌进浴缸排水口一样，产生重力场涡流现象。专家们花了好大的力气，才从相对论中挖掘出这块瑰宝。而NASA要经过42年研发，耗资7亿7千万美元，在2004年才将“重力探测器 （BGravity Probe B)送上绕极太阳同步轨道，印证了爱因斯坦所说，旋转重力场会产生微小惯性陀螺方向的变化。爱因斯坦的相对论，以整个宇宙为实验室，场面波澜壮阔，并不是盏省油的灯。用实验来验证相对论，动辄需耗资几十亿美元，费时数十载在目前金融海啸和国债泛滥的时代，经费和人力来源并不充裕，往往捉襟见时，只得咬紧牙关前行。爱因斯坦的宇宙究竟是胀还是缩，就连他本人也看不清楚，只确定宇宙中的天体是动态的。但在1915年前后，爱因斯坦仰望星空，看到的仍是牛顿静止宇宙的紧箍咒，魔法依旧高悬。其实，爱因斯坦相对论呈现出来的宇宙，和牛顿的绝对静止的宇宙在概念上是不同的。牛顿的天体，得完美地、坚固地安排在一个无穷大和无穷久的宇宙中。而爱因斯坦的宇宙，是一个在动态下平均值为静止的宇亩。这好比纽约第42街时代广场上的人潮，人来人往，摩肩接踵，移动不止，各向目的地前行。但仔细观察，往北走的和往南走的人一样多，往东的也和往西的同数，并且大家行走的速度差不多。如果把所有行人的速度正负加起来平均一下，可能离零速度不远，这就是爱因斯坦想要达到的一个在动态下静止的宇宙。爱因斯坦和牛顿得到相同结论: 别跟天斗，一动不如一静，还是谨慎为妙。略微不同的是，牛顿遇到难题时求助上帝救援，而爱因斯坦比较牛决定自力更生，在他的理论中，加上了一条反重力场的宇宙常数尾巴，企图以人类发明的物理定律来平衡宇宙，自求多福。黄道光的明亮天空
长期以来，河外背景光一直难以探测，这是因为有很多前景灯需要关闭。其中最亮的是黄道光（zodiacal light），它是由遍布整个内太阳系（木星轨道内）平面的尘埃散射太阳光所造成的。地球上的观察者肉眼就可以看见黄道光，至少是对于那些身处黑暗天空下的观察者来说是这样的，所以它的亮度远超宇宙中的任何背景辉光也就不足为奇了。
倒不是说天文学家没有试图透过那层明亮的面纱向外窥视。在2002年至2007年间发表的一系列研究论文中，丽贝卡·伯恩斯坦（Rebecca Bernstein，现就职于美国卡内基科学研究所）使用哈勃空间望远镜的数据试图捕捉背景辉光。然而，最终这些测量只能对河外背景光的亮度给出一个限制范围，并没有实际探测到它。
尽管这些发现仍然存在争议，但其他测量工作似乎确实探测到了河外背景光。其中一些来自宇宙红外背景实验（Cosmic Infrared Background Experiment，CIBER），该实验进行了多次探空火箭飞行以测量地球大气层上方的近红外天空。日本关西学院大学的松浦周二（Shuji Matsuura）及其同事使用宇宙红外背景实验的分光计数据，在2010年和2013年两次飞行中寻找红外波段的河外背景光。他们发现，无论如何模拟黄道光，仍然能找到比预期更多的河外背景光，尽管结果可能还存在较大误差。
另一种测量河外背景光的方法有一个令人惊讶的渠道：伽马射线。我们知道这种高能光子与可见光和红外光相互作用，并在此过程中消失。因此，天文学家所做的是测量来自遥远的明亮伽马射线源的光，这种源被称为耀变体（blazars）。当伽马射线向地球传播时，与路上的可见光和红外光子纠缠在一起。通过估算沿途有多少伽马射线消失了，可以间接测量河外背景光。其中一些测量没有发现额外的光， 其他的测量则留下了解释的余地。
掩膜 | 寻找背景光的第一步是去除恒星和星系的光。底部的图像是与顶部相同的远程勘测成像仪图像，但应用了掩膜（mask）以去除恒星和星系的光线。由视野外的一颗明亮恒星引起的图像中心的光学鬼像也被遮掩去除了。
上个世纪初，夜空中“旋涡星云”的本质让天文学家困惑不已。对它的理解将关乎到我们对宇宙大小的认知。换句话说，只要破解这一谜团，就能够回答银河系是否是宇宙中唯一的星系这个问题。在那个时代，大多数天文学家都倾向于相信这些星云不过是银河系内的一些气体云，只有少数天文学家认为它们实际上是远在银河系之外的独立的“岛宇宙”——也就是我们今天称之为的“星系”。1920年，双方为此进行了一次著名的“世纪大辩论”。解决这一争辩的唯一途径是更多的观测数据，当时两种工具的发展成为了解题的关键。第一个工具是光谱学。通过观测遥远天体发出的光，天文学家可以测出它们是由什么组成的，以及它们的移动速度有多快。1912年，天文学家斯里弗（Vesto Slipher）使用了当时最先进的仪器对仙女座星云进行观测。他惊讶地发现该星云的光谱中显示出了强烈的蓝移，这意味着它正在以大约每秒300千米的速度朝我们运动。这个速度太快了，比任何已知的恒星的运动速度都要快，以至于斯里弗不得不怀疑他是不是弄错了。然而，其他的天文学家很快证实了斯里弗的观测结果。之后在对几十个旋涡星云进行测量后，斯里弗发现仙女座星云的蓝移是一个例外。大多数星云都是红移的，这就意味着这些星云正以极快的速度远离我们。斯里弗的观测使他站到了”岛宇宙“的阵营，他认为这些星云定然是在非常遥远的地方，因为在我们附近任何一个移动速度如此之快的天体应该早就逃离银河系了。但是要确定岛宇宙这一假说，还必须测量旋涡星云的实际距离，这就需要第二种工具——标准烛光。1923年，在数以亿计的繁星中，哈勃（Edwin Hubble）运用当时世界上口径最大的胡克望远镜，找到了一颗改变了现代天文学进程的恒星。这颗恒星被称为造父变星V1。造父变星是一类亮度会呈周期性的变化的恒星，它可以作为测量距离的标准烛光。哈勃运用勒维特（Henrietta Swan Leavitt）在先前就发现的造父变星的周期和光度间的关系，计算出了V1的距离。他发现仙女座距离地球约93万光年（现代的观测表明，仙女座星系实际上位于250万光年之外），而这远远超出了银河系的大小。哈勃的观测结果为世纪大辩论画上了句点，也让人们意识到，宇宙远比想象的更加浩瀚无垠。然而，哈勃带来的宇宙革命并未止步于此。1929年，他在进一步对星系进行观测后，绘制了星系的速度和距离关系图，关系图显示出了一个清晰的趋势：那些距离我们越远的星系，远离我们的速度越快。也就是说，宇宙确实不是静止的，而是在越变越大！1931年，哈勃和赫马森（Milton Humason）扩展了星系样本，进一步加强了这一发现。与此同时，他们的发现也摧毁了爱因斯坦的静态宇宙观。
一个正在膨胀的宇宙，似乎暗示着它有着更小的过去——甚至是一个开端。但对于当时的天文学家而言，宇宙起源问题似乎是哲学家或神学家才会去讨论的话题。因为如果假定宇宙有一个开端，那么一个更棘手的问题是，这个开端是从而来的？事实上，这种不愿意去思考宇宙起源的想法是如此的根深蒂固，以至于我们现在所称之为的大爆炸理论不得不以不同的方式被重新发现了三次，才最终被广泛接受。 光从何处来？
最容易找到的罪魁祸首可能是暗弱的星系。使用哈勃深场图像，天文学家已经计算了相对于明亮的星系应该有多少个暗弱的星系。然而，如果这个数字是错误的呢？事实上，在 2016年，现就职于英国曼彻斯特大学的克里斯托弗·孔塞利切（Christopher Conselice）发现，哈勃望远镜的各种深场实际上并没有找到所有的暗弱星系。
然而，距离会影响波长的观测。远程勘测成像仪可以看到在大爆炸后10亿年（即红移小于6）的星系的可见光。但是，很多前面提到的那种哈勃失踪星系都更加遥远。当光穿过膨胀的宇宙时，会失去能量，向红外波长移动而红化，在可见光波段留下光子数量很少。韦布空间望远镜（JWST）将能够捕捉到这些遥远的星系， 但是，远程勘测成像仪作为可见光成像仪永远不会看到它们或它们发出的光。
额外光可能来自不那么遥远的暗弱星系。但是当美国亚利桑那州立大学的达比·克雷默（Darby Kramer）尝试验证这种可能性时，她发现即使哈勃望远镜漏掉了一些较近的暗弱星系，这些星系也无法解释为何还是剩下了一些额外光。
劳尔承认，仅靠星系很难解决这个问题。他认为一些额外光也可能来自遗落的恒星。当星系碰撞时，恒星是附带损害，有些恒星被扔到星系际空间。也许会有足够的流浪恒星来解释额外的那些背景光。
恒星和星系以外的其他选项就更加奇特了。一些研究团队认为，仍然只存在于理论中的暗物质粒子——轴子或类轴子粒子——可能会衰变成光子，从而对背景光做出贡献。不过，虽然天文学家们不愿意排除这种可能性，但是他们似乎也不急于加入这种特殊的潮流。“它现在在名单上很靠后的位置，”波斯特曼说，“但是它在名单上。”
就劳尔而言，他并不主张任何特定的解决方案。他一本正经地问 道：“会不会是一只发光的巨型乌贼？嗯，你知道，也许是这样，我们从来没有去过那里。也许那里有巨型乌贼。”
另一种可能性就是额外光根本不存在。虽然测量在统计意义上是显著的，但并不意味着它是真实的。劳尔和西蒙斯的团队可能都忽略了一 些东西。
光源 | 这张堆积条形图显示了劳尔及其同事在2022年测量的新视野号视场中各种光源对额外背景光的贡献。在该视场测量到的背景光（顶部的蓝色十字标记）超过了所有已知的贡献，这意味着一个额外的未知光源（背景光测量值和已知光源预期值的十字标记上下两端的两条短线表示这两个值的可能范围）。
“我敢肯定这是新视野号的某种系统性偏差，”亚利桑那州立大学罗吉尔·温德霍斯特（Rogier Windhorst）说。
温德霍斯特运行着一个名为天空冲浪（SKYSURF）的项目，这是 对哈勃望远镜观测数据的最大型的研究之一。他与同事一起搜寻了这台标志性的望远镜在过去三十年中拍摄的大量图像，在这些图像上的恒星和星系之间寻找光——在这种情况下是近红外波段的光。
哈勃望远镜有一些优点。一个是研究人员进行处理的图像数量非常多。另一个是它可以分辨大多数背景星系，而不是依赖于模型去计算这 些星系会产生多少背景光。然而，它也有明显的缺点。不光是需要透过明亮的黄道光向外窥视， 而且哈勃的图像也是出了名的难以定标。
“哈勃每天要经历15次日出和15次日落， 这简直太可怕了，”温德霍斯特表示。由此产生的热量起伏会在哈勃望远镜的相机中产生错误信号，并且很难消减。由于望远镜的情况多变，天空冲浪项目只测量了河外背景光的上限，而它们与以前的观测一致——包括来自新视野号的观测。
现在，温德霍斯特正在将相同类型的分析应用于韦布望远镜的观测，由于韦布望远镜的遮阳板，它完全不会经历日出或日落。最新的分析仅基于几个月的观测结果，到目前为止只产生了一个泛泛的上限。更多的图像和对韦布望远镜的校准将有助于最终确定这个上限。
尽管他对此表示怀疑，但是温德霍斯特承认，远程勘测成像仪所处的位置使新视野号科学团队比哈勃望远镜和韦布望远镜更具优势。“它们完全超越了黄道光，这是独一无二的，”他说，“他们正在做一个伟大的实验。
暴胀速度太快，超均匀的光波没有时间调整，依然以超均匀状态存在。暴胀后，宇宙半径暴增，像一个被膨胀成几近无穷大的气球一样，在有限的范围内，气球表面就像一个平面，见不到弯曲度。故“暴胀”理论能合理解释我们宇宙中呈现的电磁微波超均匀和宇宙平直的现象。暴胀后的宇宙，充满了高能量的光子、电子、中微子、质子、中子以及它们的反粒子等，在极高温下，形成原始混沌的等离子体，光子和电子质子之间这推不停，产生了声波振荡。宇宙继续膨胀、继续降温，转眼37.6万年过去了。等到宇宙的温度降到3000K，电子速度够慢了，就被质子逮个正着，中性氢原子出现了，等离子体随着就没电了，光子推不到质子和电子，声波振荡就戛然而止。光子没有电子和质子挡路，在最后刹那间，就以电磁微波记录下宇宙37.6万年时的天空形象，然后跟随膨胀的宇宙同步起舞，138亿年后，被贝尔实验室的大耳朵听到。而不带电的中性材料，在大爆炸后宇宙留下的量子起伏的胎记诱导下开始朝物质多的方位凝聚。2亿年后，重力场终于引发了氢转氦的核变，发出了第一道光，星星出现了，星系不久后跟进。宇宙又继续膨胀了136亿年，展现出当下温柔平直的星空，璀璨瑰丽，供你我欣赏赞叹。1965年宇宙电磁微波被发现后，狄基马上判断微波属于黑体辐射，并从人类能在宇宙活得好好的事实臆测，宇宙应有温柔平直的几何特性。斯穆特认定宇宙目前众多星系凝聚，包括人类生命立足地地球，微波中应含悲天悯人的不均匀的原始胎记。黑体辐射和不均匀部分的侦测，只能到天上去做。第一代宇宙微波测量卫星证实了黑体辐射，并测量到宇宙的不均匀部分。数年后，经由地面对超新星的观测，发现了神秘的暗能量。再快马加鞭，从南极洲气球实验，测量出宇宙一直是在一个平面上膨胀，温柔平直的宇宙终于在20世纪末定案。21世纪初发射的第二、第三代宇宙微波卫星以节节攀高的分辨率，更精确地测量了宇宙的平直度，并打开和我们宇宙外的宇宙沟通的管道。我们的宇宙，在震慑的超均匀中，含有慈悲的不均匀内涵，使脆弱的人类生命有立足之地。而不均匀的分配图形，刚好提供了平直几何特性显现出宇宙温柔的一面。超均匀、不均匀和平直，都应是宇宙在起源时极高能量大爆炸的动作下，留下的原始胎记。这些胎记，携带着宇宙起源的奥秘。与此同时，宇宙额外光的奥秘仍是未解之谜。
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