圍繞著超大質(zhì)量黑洞的熱物質(zhì)盤發(fā)出一束可見(jiàn)光，該可見(jiàn)光傳播到一團(tuán)塵土環(huán)，隨后又發(fā)出紅外光。藍(lán)色箭頭表示來(lái)自磁盤的光移向塵埃，并且來(lái)自兩個(gè)事件的光均向觀察者傳播。圖片來(lái)源：NASA / JPL-Caltech

當(dāng)您仰望夜空時(shí)，如何知道所看到的光斑是明亮而遙遠(yuǎn)，還是相對(duì)微弱且近在咫尺?一種發(fā)現(xiàn)的方法是將物體實(shí)際發(fā)出的光與它看起來(lái)的亮度進(jìn)行比較。它的真實(shí)亮度和其表觀亮度之間的差異揭示了物體與觀察者的距離。

測(cè)量天體的亮度是具有挑戰(zhàn)性的，特別是與黑洞，它不發(fā)射光。但是位于大多數(shù)星系中心的超大質(zhì)量黑洞卻提供了一個(gè)漏洞：它們經(jīng)常在周圍拉動(dòng)許多物質(zhì)，形成可以明亮地輻射的熱盤。測(cè)量亮盤的光度將使天文學(xué)家能夠測(cè)量到黑洞的距離及其所處的星系。距離測(cè)量不僅可以幫助科學(xué)家創(chuàng)建更好的三維三維宇宙圖，還可以提供有關(guān)如何以及何時(shí)形成物體。

在一項(xiàng)新的研究中，天文學(xué)家使用一種被昵稱為“回聲映射”的技術(shù)來(lái)測(cè)量500多個(gè)星系中黑洞盤的發(fā)光度。這項(xiàng)研究于上月發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上，為這種方法可用于測(cè)量地球與這些遙遠(yuǎn)星系之間的距離的想法提供了支持。

回聲映射的過(guò)程(也稱為混響映射)從靠近黑洞的熱等離子體(失去電子的原子)的盤變亮?xí)r開(kāi)始，有時(shí)甚至釋放出可見(jiàn)光的短光斑(即可見(jiàn)波長(zhǎng))肉眼)。該光從磁盤上傳播出去，并最終進(jìn)入大多數(shù)超大質(zhì)量黑洞系統(tǒng)的共同特征：圓環(huán)形(也稱為圓環(huán))狀的巨大塵埃云。圓盤和圓環(huán)合在一起形成一種靶心，吸積圓盤緊緊包裹在黑洞周圍，隨后依次是溫度稍低的等離子體和氣體環(huán)，最后是粉圓環(huán)，它構(gòu)成了最寬，最外層的環(huán)。紅心。當(dāng)吸積盤發(fā)出的閃光到達(dá)塵土飛揚(yáng)的圓環(huán)的內(nèi)壁時(shí)，光線被吸收，導(dǎo)致灰塵加熱并釋放紅外光。圓環(huán)的變亮是對(duì)磁盤上發(fā)生的更改的直接響應(yīng)，或者說(shuō)是磁盤上發(fā)生的更改的“回聲”。

此動(dòng)畫(huà)顯示了作為天體物理學(xué)技術(shù)(稱為“回聲映射”)的基礎(chǔ)的事件，也稱為混響映射。中心是一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，周圍被稱為吸積盤的材料盤圍繞。隨著光盤變亮，有時(shí)甚至?xí)尫懦鲆恍《慰梢?jiàn)光。藍(lán)色箭頭表示來(lái)自閃光燈的光線從黑洞傳播出去，既朝著地球上的觀察者，又朝著由灰塵制成的巨大的甜甜圈形結(jié)構(gòu)(稱為圓環(huán))。光線被吸收，導(dǎo)致灰塵加熱并釋放紅外光?；覊m的增亮是對(duì)磁盤中發(fā)生的更改的直接響應(yīng)，或者可以說(shuō)是“回聲”。紅色箭頭表示此光從銀河系移開(kāi)，與可見(jiàn)光的初始閃光方向相同。因此，觀察者將首先看到可見(jiàn)光，然后(使用正確的設(shè)備)看到紅外光。圖片來(lái)源：NASA / JPL-Caltech

從吸積盤到塵埃圓環(huán)內(nèi)部的距離可能很大，數(shù)十億或數(shù)萬(wàn)億英里。即使以每秒186,000英里(300,000公里)的速度行進(jìn)，光也可能要花費(fèi)數(shù)月或數(shù)年才能穿過(guò)。如果天文學(xué)家既可以觀察到吸積盤中可見(jiàn)光的初始光斑，又可以觀察到圓環(huán)中隨后的紅外光增亮，那么他們還可以測(cè)量光在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間傳播所花費(fèi)的時(shí)間。因?yàn)楣庖詷?biāo)準(zhǔn)速度傳播，所以該信息還為天文學(xué)家提供了磁盤與圓環(huán)之間的距離。

然后，科學(xué)家可以使用距離測(cè)量來(lái)計(jì)算磁盤的光度，以及理論上磁盤與地球的距離。方法如下：磁盤上最靠近黑洞的部分的溫度可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)度，如此之高，以至于原子甚至被撕裂，并且塵埃不會(huì)形成。磁盤產(chǎn)生的熱量也使磁盤周圍的區(qū)域變熱，就像在寒冷的夜晚篝火一樣。遠(yuǎn)離黑洞，溫度逐漸降低。

天文學(xué)家知道，當(dāng)溫度降至華氏2200度(約1200攝氏度)時(shí)，就會(huì)形成粉塵。篝火越大(或磁盤散發(fā)出的能量越多)，灰塵就越遠(yuǎn)離它。因此，測(cè)量吸積盤與圓環(huán)之間的距離可以揭示出該盤的能量輸出，該能量輸出與它的光度成正比。

因?yàn)楣庖ㄙM(fèi)數(shù)月或數(shù)年才能穿越磁盤和圓環(huán)之間的空間，所以天文學(xué)家需要跨越數(shù)十年的數(shù)據(jù)。這項(xiàng)新研究依賴于近二十年來(lái)對(duì)黑洞積積盤的可見(jiàn)光觀測(cè)，這些觀測(cè)是由幾臺(tái)地基望遠(yuǎn)鏡捕獲的。塵埃發(fā)出的紅外光由NASA的近地物體廣域紅外勘測(cè)瀏覽器(NEOWISE)(以前稱為WISE)檢測(cè)到。該航天器大約每六個(gè)月檢查一次整個(gè)天空，從而為天文學(xué)家提供了反復(fù)觀察星系并尋找那些輕微“回聲”跡象的機(jī)會(huì)。這項(xiàng)研究使用了WISE / NEOWISE在2010年至2019年之間收集的14項(xiàng)天空測(cè)量數(shù)據(jù)。在某些星系中，光花了10年多的時(shí)間才能穿越吸積盤之間的距離。 和塵埃，使它們成為銀河系外測(cè)得的最長(zhǎng)回聲。

遙遠(yuǎn)的星系

使用回波映射來(lái)測(cè)量從地球到遙遠(yuǎn)星系的距離的想法并不新鮮，但是這項(xiàng)研究在證明其可行性方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。該研究是同類研究中規(guī)模最大的一次，它證實(shí)了回聲映射在所有星系中都以相同的方式發(fā)揮作用，而不管諸如黑洞大小之類的變量如何變化，而黑洞的大小在整個(gè)宇宙中可能會(huì)發(fā)生很大變化。但是這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有準(zhǔn)備就緒。

由于多種因素，作者的距離測(cè)量缺乏準(zhǔn)確性。作者說(shuō)，最值得注意的是，他們需要更多地了解圍繞黑洞的甜甜圈內(nèi)部區(qū)域的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)影響諸如塵埃在首次到達(dá)時(shí)會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的紅外線的事物。

WISE數(shù)據(jù)不能覆蓋整個(gè)紅外波長(zhǎng)范圍，而更寬的數(shù)據(jù)集可以改善距離測(cè)量。美國(guó)宇航局的南希·格雷斯羅馬太空望遠(yuǎn)鏡定于2020年代中期發(fā)射，它將在不同的紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供有針對(duì)性的觀測(cè)。該機(jī)構(gòu)即將進(jìn)行的SPHEREx任務(wù)(代表宇宙歷史的分光光度計(jì)，電離時(shí)代和Ices Explorer)將在多個(gè)紅外波長(zhǎng)下探測(cè)整個(gè)天空，并且還可能有助于改進(jìn)該技術(shù)。

該研究的主要作者，伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究員錢揚(yáng)說(shuō)：“回聲映射技術(shù)的美在于這些超大質(zhì)量黑洞不會(huì)很快消失。”黑洞盤可能會(huì)經(jīng)歷數(shù)千年甚至數(shù)百萬(wàn)年的活躍燃燒。“因此，我們可以為同一系統(tǒng)反復(fù)測(cè)量灰塵回波，以改善距離測(cè)量。”

基于亮度的距離測(cè)量已經(jīng)可以使用具有已知亮度的被稱為“標(biāo)準(zhǔn)蠟燭”的對(duì)象進(jìn)行。一個(gè)例子就是一顆名為1a型超新星的爆炸恒星，它在發(fā)現(xiàn)暗能量(宇宙加速膨脹背后的神秘驅(qū)動(dòng)力的名稱)的發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。1a型超新星都具有相同的發(fā)光度，因此天文學(xué)家只需測(cè)量其視在亮度即可計(jì)算其與地球的距離。

使用其他標(biāo)準(zhǔn)蠟燭，天文學(xué)家可以測(cè)量物體的特性以推斷其特定的光度?；芈曈成渚褪沁@種情況，其中每個(gè)吸積盤都是唯一的，但是測(cè)量光度的技術(shù)是相同的。天文學(xué)家能夠使用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)蠟燭有很多好處，例如能夠比較距離測(cè)量以確認(rèn)其準(zhǔn)確性，并且每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)蠟燭都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究員，論文的共同作者，沉岳。