如何进行宇宙测距？天文学家发现新妙招：回波映射

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    在宇宙中测量距离是很困难的，通常通过测量物体的实际亮度与我们认为光年之外的亮度之间的差异，并利用这一差异来计算光的传播距离。但现在天文学们利用黑洞的回声来测定距离。

抬头看天，我们所看到的星空只是二维平面视图，凭我们的单薄力量，很难弄清宇宙中的三维空间。
把恒星绘成密织的星座很简单，但测量它们的距离，分辨它们的远近却很难。
测量宇宙中物体距离的方法之一是 “标准烛光法”（烛：具有固定亮度的物体，且亮度被我们已知）——天文学家测出该物体本身的亮度（本征亮度）和数光年之外的我们所观测到的亮度之间的差距，然后用该差值计算光传播的距离。



对“标准烛光法” 的理解：距离发光体S越远，同一面积A上接收到光越少，光的强度越弱，与距离的平方成反比。
图源：brilliant
这些“标准烛光”包括固有亮度与其脉冲周期有关的脉冲星（如造父变星）和具有有限峰值亮度范围的超新星（如Ia型超新星）。



船尾座RS是银河系中最亮的造父变星之一，由哈勃空间望远镜拍摄 图源：wikipedia



SN 1994D（左下方的亮点）是在星系NGC 4526中的一颗Ia超新星。 图源：wikipedia
如今，天文学家们论证了利用超大质量黑洞测距的可行性，或者说是这些黑洞的回波，虽然它看似是宇宙中最不可能用来测距的工具。
伊利诺伊大学香槟分校的天文学者岳深（音译）说：“测量宇宙距离是天文学最基础的挑战，所以，有希望多拥有一个测距的锦囊妙计（新的测量方法）非常令人兴奋。”



这张计算机模拟图像显示了星系中心的一个超大质量黑洞。这个拥有强大的引力的宇宙怪物扭曲了周围的空间，像个哈哈镜，拖曳着附近星光。
图源：美国航空航天局/欧洲航天局/D.科、J.安德森R.范德马雷尔（空间望远镜科学研究所）
你可能会有些迷惑，虽然我们的确或多或少地知道黑洞的亮度，但
这毫无用处，因为它们恰恰是光的对立。
它们并不会发出明显的辐射，实际上是不可见的。
银河中有多达十亿个恒星质量的黑洞，我们仅仅只是发现了其中的一小点。
然而，那些位于星系中心的超大质量黑洞完全是另一码事。
的确，我们看不到它们，但是事实上如果这些黑洞很活跃，它们周围的物质将会非常明亮。正是它们周围环境中光的传播可以被用来测量固有亮度。
超大质量黑洞靠其周围的物质为食，这些物质以一种已知结构分布在黑洞附近。处在中心的位置的就是黑洞，它像饕餮一样吞噬周围的物质，是太阳质量的数百万到数百亿倍。
黑洞周围以圆盘形环绕的物质，由于引力被吸入黑洞，就像水打着旋儿落入下水道。这就是吸积盘，其中强烈的引力和摩擦力加热了这些物质并使其明亮地闪耀着，但这跟天文学家所观测到的不同。



图源：阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜 （欧洲南方天文台/日本国家天文台/美国国家射电天文台）
在吸积盘的外侧是一个更大的云团，由尘埃环绕成甜甜圈状的圆环面。
把它们放在一起整体的结构如上图所示。外侧的尘埃云团是回波映射或回声映射技术的关键。
吸积盘的最靠近活跃的超大质量黑洞的区域常常发出可见光和紫外线光波明亮地闪耀着，当光到达圆环形尘埃云的时候，它会发出“回声（波）”。
可见光和紫外线光被尘埃云吸收，并加热并释放出热能，成为中红外光的形式。
吸积盘可能非常大，光到达环形尘埃云并被“反射”出来也许要花费数年。但是由于我们知道光速，天文学家们可以利用（发出的）光和回波计算吸积盘内侧边缘和尘埃云的距离。
这就很“简单”了。我们知道吸积盘内测边缘极热，同时从黑洞越向外吸积盘的温度越低。
当温度降到1,200摄氏度（2,200华氏度）时就会形成尘埃云。
因此，环形尘埃云和吸积盘内侧边缘之间的距离与那地狱般的高温是成比例的。
如果知道了距离，我们就可以计算温度——一旦得到了温度，就可以计算这个区域发出多少光、光亮度的变化、以及其本身亮度。 这被称为R-L关系（即R半径和L亮度）。
当然，这肯定不止这么简单。你必须以一个很长的时间跨度观测黑洞，探测可见光、紫外线光和中红外光回波。
一个由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的钱阳（音译）领导的天文学家团队梳理了由地面光学望远镜所收集到的对可见光近20年的探测数据。
除此之外他们还研究了2010-2019年间美国国家航空航天局的近地物体广域红外勘测仪所捕获的红外光数据。



艺术家笔下的近地物体广域红外勘测仪（简称WISE或NEOWISE）
图源：wikipedia
他们利用可见光和中红外光识别到587个超大质量黑洞，这是同类研究中规模最大的一次。
虽然这些数据仍需进一步改进，因为这些红外线研究并未覆盖全部的红外线波段，这就意味着在计算距离时有很大的不确定性，但它们的确证实了R-L比例关系，并且在这些样本里大小各异的超大质量黑洞中，回波的传播方式相同。
测量工作仍在不断改进中。
该团队正在努力改进他们的模型以更好的贴合尘埃的形成与红外光的产生。当然，正在进行的研究采用了更完善的技术，将带来更高质量的发现。
钱阳说：“回波映射技术的妙处在于这些超大质量黑洞不会很快消失，所以我们可以重复测量尘埃回波以改进同一系统中的测距工作。”
该研究已发表在《天体物理学杂志》中。
作者: MICHELLE STARR
FY: U_Uranus
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