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

當您仰望夜空時，如何知道所看到的光斑是明亮而遙遠，還是相對微弱且近在咫尺?一種發(fā)現(xiàn)的方法是將物體實際發(fā)出的光與它看起來的亮度進行比較。它的真實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)星系中心的超大質量黑洞卻提供了一個漏洞：它們經(jīng)常在周圍拉動許多物質，形成可以明亮地輻射的熱盤。測量亮盤的光度將使天文學家能夠測量到黑洞的距離及其所處的星系。距離測量不僅可以幫助科學家創(chuàng)建更好的三維三維宇宙圖，還可以提供有關如何以及何時形成物體。

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

回聲映射的過程(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)的盤變亮時開始，有時甚至釋放出可見光的短光斑(即可見波長)肉眼)。該光從磁盤上傳播出去，并最終進入大多數(shù)超大質量黑洞系統(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)，它構成了最寬，最外層的環(huán)。紅心。當吸積盤發(fā)出的閃光到達塵土飛揚的圓環(huán)的內(nèi)壁時，光線被吸收，導致灰塵加熱并釋放紅外光。圓環(huán)的變亮是對磁盤上發(fā)生的更改的直接響應，或者說是磁盤上發(fā)生的更改的“回聲”。

此動畫顯示了作為天體物理學技術(稱為“回聲映射”)的基礎的事件，也稱為混響映射。中心是一個超大質量的黑洞，周圍被稱為吸積盤的材料盤圍繞。隨著光盤變亮，有時甚至會釋放出一小段可見光。藍色箭頭表示來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構(稱為圓環(huán))。光線被吸收，導致灰塵加熱并釋放紅外光?；覊m的增亮是對磁盤中發(fā)生的更改的直接響應，或者可以說是“回聲”。紅色箭頭表示此光從銀河系移開，與可見光的初始閃光方向相同。因此，觀察者將首先看到可見光，然后(使用正確的設備)看到紅外光。圖片來源：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)萬億英里。即使以每秒186,000英里(300,000公里)的速度行進，光也可能要花費數(shù)月或數(shù)年才能穿過。如果天文學家既可以觀察到吸積盤中可見光的初始光斑，又可以觀察到圓環(huán)中隨后的紅外光增亮，那么他們還可以測量光在這兩個結構之間傳播所花費的時間。因為光以標準速度傳播，所以該信息還為天文學家提供了磁盤與圓環(huán)之間的距離。

然后，科學家可以使用距離測量來計算磁盤的光度，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到數(shù)萬度，如此之高，以至于原子甚至被撕裂，并且塵埃不會形成。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。遠離黑洞，溫度逐漸降低。

天文學家知道，當溫度降至華氏2200度(約1200攝氏度)時，就會形成粉塵。篝火越大(或磁盤散發(fā)出的能量越多)，灰塵就越遠離它。因此，測量吸積盤與圓環(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。

因為光要花費數(shù)月或數(shù)年才能穿越磁盤和圓環(huán)之間的空間，所以天文學家需要跨越數(shù)十年的數(shù)據(jù)。這項新研究依賴于近二十年來對黑洞積積盤的可見光觀測，這些觀測是由幾臺地基望遠鏡捕獲的。塵埃發(fā)出的紅外光由NASA的近地物體廣域紅外勘測瀏覽器(NEOWISE)(以前稱為WISE)檢測到。該航天器大約每六個月檢查一次整個天空，從而為天文學家提供了反復觀察星系并尋找那些輕微“回聲”跡象的機會。這項研究使用了WISE / NEOWISE在2010年至2019年之間收集的14項天空測量數(shù)據(jù)。在某些星系中，光花了10年多的時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得的最長回聲。

遙遠的星系

使用回波映射來測量從地球到遙遠星系的距離的想法并不新鮮，但是這項研究在證明其可行性方面取得了長足的進步。該研究是同類研究中規(guī)模最大的一次，它證實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宇宙中可能會發(fā)生很大變化。但是這項技術還沒有準備就緒。

由于多種因素，作者的距離測量缺乏準確性。作者說，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)域的結構。這種結構可能會影響諸如塵埃在首次到達時會發(fā)出特定波長的紅外線的事物。

WISE數(shù)據(jù)不能覆蓋整個紅外波長范圍，而更寬的數(shù)據(jù)集可以改善距離測量。美國宇航局的南希·格雷斯羅馬太空望遠鏡定于2020年代中期發(fā)射，它將在不同的紅外波長范圍內(nèi)提供有針對性的觀測。該機構即將進行的SPHEREx任務(代表宇宙歷史的分光光度計，電離時代和Ices Explorer)將在多個紅外波長下探測整個天空，并且還可能有助于改進該技術。

該研究的主要作者，伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的研究員錢揚說：“回聲映射技術的美在于這些超大質量黑洞不會很快消失。”黑洞盤可能會經(jīng)歷數(shù)千年甚至數(shù)百萬年的活躍燃燒。“因此，我們可以為同一系統(tǒng)反復測量灰塵回波，以改善距離測量。”

基于亮度的距離測量已經(jīng)可以使用具有已知亮度的被稱為“標準蠟燭”的對象進行。一個例子就是一顆名為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動力的名稱)的發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關鍵作用。1a型超新星都具有相同的發(fā)光度，因此天文學家只需測量其視在亮度即可計算其與地球的距離。

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

伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的研究員，論文的共同作者，沉岳。