太好了,實現利用黑洞的「回聲映射」測量廣闊的宇宙距離!

2021-01-16 騰訊網

當你抬頭仰望夜空時，你怎麼知道你所看到的那些光點是明亮而遙遠的，還是相對微弱而近？一種方法是比較物體實際發出的光和它看起來的亮度。它的真實亮度和表觀亮度之間的差異，揭示了一個物體與觀察者的距離。測量天體的亮度是一項挑戰，尤其是對於不發光的黑洞。但是位於大多數星系中心的超大質量黑洞提供了一個漏洞：它們經常拉拽周圍的大量物質，形成能發出明亮輻射的吸積盤。

通過測量明亮黑洞吸積盤的亮度，天文學家可以測量到黑洞及其所在星系的距離。距離測量不僅可以幫助科學家創建一個更好的宇宙三維地圖，還可以提供關於這些天體是如何以及何時形成的信息。在一項新的研究中，天文學家使用一種被戲稱為「回聲映射（Echo mapping）」的技術來測量500多個星系中黑洞吸積盤的光度。在發表在《天體物理學》期刊上的一項新研究，支持了這種方法可以用來測量地球和這些遙遠星系之間距離的觀點。

當靠近黑洞的熱等離子體（失去電子的原子）變得更亮時，就開始了回聲映射的過程，有時甚至會釋放出短暫可見光耀斑（即人眼能看到的波長）。光離開了黑洞吸積盤，最終會遇到一個大多數超大質量黑洞系統的共同特徵:一個巨大的塵埃雲，形狀像甜甜圈(也被稱為環面)。當來自吸積盤的閃光到達布滿塵埃的圓環內壁時，光線被吸收，導致塵埃升溫並釋放出紅外光。

黑洞的「回聲映射」

這明亮的環面是一個直接回應，或者，有人可能會說一個「回聲」的變化發生在吸積盤。從吸積盤到塵埃環體內部的距離，可能是巨大的（數十億或數萬億英裡）。即使是以每秒300000公裡速度飛行的光，也需要數月或數年才能穿過它。如果天文學家能觀測到吸積盤中最初的可見光耀斑和隨後的環面紅外亮度，就能測量光在這兩個結構之間傳播的時間。因為光以標準的速度傳播，這個信息也給天文學家提供了吸積盤和環面的距離。

然後，科學家可以利用距離測量來計算吸積盤的光度，以及理論上它與地球的距離。原因是這樣的：吸積盤中最接近黑洞的部分溫度可以達到數萬度——高到連原子都被撕裂，塵埃顆粒也無法形成。吸積盤發出的熱量也使其周圍區域變暖，就像寒冷夜晚的篝火一樣，在遠離黑洞的過程中，溫度逐漸降低。天文學家知道，當溫度下降到大約2200華氏度(1200攝氏度)時，塵埃就形成了。

篝火越大（或者說吸積盤輻射的能量越多），塵埃就會離它越遠。所以測量吸積盤和環面之間的距離，就可以得到吸積盤的能量輸出，這與它的光度成正比。由於光可能需要數月或數年才能穿過星盤和環面之間的空間，天文學家需要數十年的數據。這項新研究依賴於近20年來對黑洞吸積盤的可見光觀測，這些觀測是由幾架地面望遠鏡捕捉到的。

遙遠的星系

塵埃發出的紅外光被美國宇航局（NASA）近地天體寬場紅外探測探測器(NEOWISE)探測到，該探測器之前被命名為WISE。該太空飛行器大約每六個月對整個天空進行一次勘察，為天文學家提供了反覆觀察星系和尋找這些光「回聲」的機會。這項研究使用了WISE/NEOWISE在2010年至2019年間收集的14次天空調查。在一些星系中，光要用10年以上的時間才能穿過吸積盤和塵埃之間的距離，這是迄今為止在銀河系以外測量到的最長回聲。

利用回聲映射來測量從地球到遙遠星系距離的想法並不新鮮，但這項研究在證明其可行性方面取得了重大進展。這項研究是同類研究中規模最大的一次，它證實了在所有星系中，無論黑洞的大小等變量如何變化，回聲映射都是一樣的，但是這項技術還沒有進入黃金時段。由於多種因素的影響，距離測量缺乏精度，最值得注意的是，天文學家需要更多地了解環繞黑洞塵埃圈內部區域的結構。這種結構可能會影響塵埃在光線第一次到達時所發出紅外線的波長。

WISE的數據並不包括整個紅外波長範圍，更廣泛的數據集可以改善距離測量。美國宇航局南希·格蕾絲·羅曼太空望遠鏡將於本世紀20年代中期發射，它將提供不同紅外波長範圍的目標觀測。該機構即將進行的SPHEREx任務（代表宇宙歷史、再電離時代和冰探測者的光譜光度計）將在多種紅外波長下探測整個天空，並有助於改進這項技術。該研究的主要作者，伊利諾伊大學厄本那-香檳分校研究員錢揚說：

標準燭光

回聲映射技術的美在於這些超大質量黑洞不會很快消失，黑洞盤可能會經歷數千年甚至數百萬年的主動擴口，因此，我們可以為同一系統反覆測量灰塵回波，以改善距離測量。基於亮度的距離測量，已經可以用已知光度的「標準燭光」對象來完成。其中一個例子就是一種被稱為1a型超新星的爆炸恆星，它在發現暗能量（暗能量是指宇宙加速膨脹背後的神秘驅動力）方面發揮了關鍵作用。1a型超新星的光度都差不多，所以天文學家只需要測量它們的表觀亮度就能計算出它們與地球的距離。

用其他標準蠟燭，天文學家可以測量一個物體的性質，以推斷其特定的光度。這就是回聲映射的情況，每個吸積盤都是唯一的，但測量光度的技術相同。對於天文學家來說，使用多種標準蠟燭有很多好處，比如可以比較距離測量結果以確認它們的準確性，而每種標準蠟燭都有各自的優缺點。測量宇宙距離是天文學的一個基本挑戰，所以有可能有一個額外的技巧非常令人興奮。

博科園｜研究/來自：JPL/NASA

參考期刊《天體物理學》

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