利用遥远星系中的“回波映射”可以测量宇宙的广袤距离

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当您仰望夜空时，如何知道所看到的星光是明亮而遥远，还是相对微弱且近在咫尺？一种方法是比较物体实际发出的光和它看起来的亮度。它的真实亮度和表观亮度之间的差异，揭示了一个星际物体与观察者的距离。

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测量天体的亮度具有挑战性，特别是对于不发光的黑洞。但是位于大多数星系中心的超大质量黑洞却有一个共同的特点：它们经常在它们周围拉动许多物质，形成能发出明亮辐射的吸积盘。测量吸积盘的亮度将使天文学家能够测量到黑洞的距离及其所处的星系。距离测量不仅可以帮助科学家创建更好的三维三维地图，还可以提供关于这些天体是如何以及何时形成的信息。

在一项新的研究中，天文学家使用一种被戏称为“回波映射（Echo mapping）”的技术来测量500多个星系中黑洞吸积盘的光度。在发表在《天体物理学》期刊上的一项新研究，支持了这种方法可以用来测量地球和这些遥远星系之间距离的观点。

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回波映射的过程是从靠近黑洞的热等离子体（失去电子的原子）的盘变亮时开始，有时甚至释放出可见光的短光斑（即可见波长）。该光从吸积盘上传播出去，并最终进入大多数超大质量黑洞系统的共同特征：圆环形（也称为圆环）状的巨大尘埃云。圆盘和圆环合在一起形成一种靶心，吸积圆盘紧紧包裹在黑洞周围，随后依次是温度稍低的等离子和气体环，最后是粉圆环，它构成了环中最宽，最外层的环。当吸积盘发出的闪光到达尘土飞扬的圆环的内壁时，光线被吸收，导致灰尘加热并释放红外光形成红心。圆环的变亮是对磁盘上发生的更改的直接响应，或者说是磁盘上发生的更改的“回波”。

从吸积盘到尘埃圆环内部的距离可能很大-数十亿或数万亿英里。即使以每秒186,000英里（300,000公里）的速度行进，光也可能要花费数月或数年才能穿过。如果天文学家既可以观察到吸积盘中的可见光的初始耀斑，又可以观察到圆环中随后的红外增亮，他们还可以测量光在这两个结构之间传播所花费的时间，那么因为光以标准速度传播，所以该信息就为天文学家提供了磁盘与圆环之间的距离。

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然后，科学家可以利用距离测量来计算吸积盘的光度，以及理论上它与地球的距离。原因是这样的：吸积盘中最接近黑洞的部分温度可以达到数万度——高到连原子都被撕裂，尘埃颗粒也无法形成。吸积盘发出的热量也使其周围区域变暖，就像寒冷夜晚的篝火一样，在远离黑洞的过程中，温度逐渐降低。天文学家知道，当温度下降到大约2200华氏度(1200摄氏度)时，尘埃就形成了。

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由于光可能要花费数月或数年才能穿过磁盘和圆环之间的空间，因此天文学家需要跨越数十年的数据。这项新研究依赖于近二十年来对黑洞吸积盘的可见光观测，该观测由几台地面望远镜捕获。尘埃发射的红外光被NASA的近地物体广域红外勘测仪检测到（NEOWISE），以前称为WISE。该航天器大约每六个月检查一次整个天空，从而为天文学家提供了反复观察星系并寻找那些轻微“回波”迹象的机会。这项研究使用了WISE / NEOWISE在2010年至2019年之间收集的14项对天空的调查。在某些星系中，光花了10年多的时间才能穿过吸积盘和尘埃之间的距离，这使它们成为迄今为止在室外测得的最长回声银河系。

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遥远的星系

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利用回声映射来测量从地球到遥远星系距离的想法并不新鲜，但这项研究在证明其可行性方面取得了重大进展。这项研究是同类研究中规模最大的一次，它证实了在所有星系中，无论黑洞的大小等变量如何变化，回声映射都是一样的，但是这项技术还没有进入黄金时段。由于多种因素的影响，距离测量缺乏精度，最值得注意的是，天文学家需要更多地了解环绕黑洞尘埃圈内部区域的结构。这种结构可能会影响尘埃在光线第一次到达时所发出红外线的波长。

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WISE数据不能覆盖整个红外波长范围，而更宽的数据集可以改善距离测量。美国宇航局的南希·格雷斯罗马太空望远镜定于2020年代中期发射，将在不同的红外波长范围内提供有针对性的观测。该机构即将进行的SPHEREx任务（用于宇宙历史，再电离和冰探测器的分光光度计计划）将在多个红外波长下探测整个天空，并且还可能有助于改进该技术。

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用于宇宙历史，再电离和冰探测器的分光光度计（SPHEREx）计划

该研究的主要作者，伊利诺伊大学研究员钱扬说：“回波映射技术的可取之处在于这些超大质量黑洞不会很快消失。”黑洞盘可能会经历数千年甚至数百万年的主动扩口。“因此，我们可以为同一系统反复测量灰尘回波，以改善距离测量。”

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基于亮度的距离测量已经可以使用具有已知亮度的被称为“标准蜡烛”的对象进行。一个例子就是一颗名为1a型超新星的爆炸恒星，它在发现暗能量（宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力的名称）的发现中起着关键作用。1a型超新星都具有相同的发光度，因此天文学家只需测量其视在亮度即可计算出它们与地球的距离。

标准烛光法是天文测距中最常采用的方法，依据是天体亮度与距离之间的平方反比关系。

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使用其他标准蜡烛，天文学家可以测量物体的特性以推断其特定的光度。回波映射就是这种情况，其中每个吸积盘都是唯一的，但是测量光度的技术是相同的。天文学家能够使用多个标准蜡烛有很多好处，例如能够比较距离测量以确认其准确性。该论文的合著者之一说：“测量宇宙距离是天文学的一项基本挑战，因此，应该再增加一些技巧。” 。

WISE航天器于2009年发射升空，在完成其主要任务后于2011年进入休眠状态。2013年9月，NASA重新启动了航天器，其主要目标是扫描近地天体（NEO），任务和航天器更名为NEOWISE。美国宇航局在南加州的喷气推进实验室为美国宇航局科学任务部管理和运营WISE。NEOWISE是JPL（美国加州理工学院的一个部门）和亚利桑那大学的项目，得到了NASA行星防御协调办公室的支持。

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文字：NASA

翻译：Space Doctor

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