JPL/美国国家航空航天局 超大质量黑洞周围的热物质圆盘发出一束可见光，该光传播到一圈尘埃中，随后发出红外光
蓝色箭头显示了从圆盘向尘埃移动的光和从两个事件向观察者传播的光
信用:美国航天局/JPL-加州理工学院 当你仰望夜空时，你如何知道你看到的光点是明亮而遥远的，还是相对微弱而近的？找出答案的一种方法是将物体实际发出的光量与它看起来的亮度进行比较
它的真实亮度和它的表观亮度之间的差异揭示了一个物体离观察者的距离
测量天体的光度很有挑战性，尤其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提供了一个漏洞:它们经常在周围吸引大量物质，形成可以明亮辐射的热圆盘
测量明亮圆盘的亮度将使天文学家能够测量到黑洞及其所在星系的距离
距离测量不仅有助于科学家创建更好的三维宇宙地图，还可以提供关于物体如何以及何时形成的信息
在一项新的研究中，天文学家使用了一种被一些人戏称为“回声测绘”的技术来测量500多个星系中黑洞圆盘的亮度
上个月发表在《天体物理学杂志》上的这项研究进一步支持了这一观点，即这种方法可以用来测量地球和这些遥远星系之间的距离
回声映射的过程，也称为混响映射，始于靠近黑洞的热等离子体(失去电子的原子)圆盘变得更亮，有时甚至释放出可见光的短耀斑(意思是人眼可以看到的波长)
这种光离开圆盘，最终进入大多数超大质量黑洞系统的一个共同特征:一个巨大的甜甜圈形状的尘埃云(也称为圆环体)
圆盘和圆环一起形成了一种牛眼，吸积盘紧紧地包裹在黑洞周围，随后是连续的稍冷的等离子体和气体环，最后是尘埃圆环，它构成了牛眼最宽的最外环
当来自吸积盘的闪光到达尘埃环的内壁时，光被吸收，导致尘埃升温并释放红外光
圆环的这种变亮是对圆盘中发生的变化的直接反应，或者可以说是“回声”
这个动画展示了作为被称为“回声映射”的天体物理学技术基础的事件，也被称为混响映射
在中心是一个超大质量黑洞，被一个叫做吸积盘的物质圆盘所包围
随着圆盘变得越来越亮，它有时甚至会释放出短暂的可见光
蓝色箭头显示了从黑洞发出的闪光，既指向地球上的一个观察者，也指向一个由灰尘组成的巨大的环形结构(称为圆环体)
光线被吸收，导致灰尘变热并释放红外光
尘埃的变亮是对圆盘中发生的变化的直接反应——或者可以说是“回声”
红色箭头显示这种光远离星系，与可见光最初的闪光方向相同
因此，观察者会先看到可见光，然后(用正确的设备)看到红外光
信用:美国航天局/JPL-加州理工学院 从吸积盘到尘埃环内部的距离可能很大——数十亿或数万亿英里
即使很轻，以每秒186，000英里(300，000公里)的速度行驶，也需要几个月或几年才能穿过它
如果天文学家既能观察到吸积盘中可见光的初始耀斑，又能观察到随后圆环中的红外变亮，他们还可以测量光在这两个结构之间传播的时间
因为光以标准速度传播，这个信息也给了天文学家圆盘和圆环之间的距离
然后，科学家可以使用距离测量来计算圆盘的光度，理论上，还可以计算它与地球的距离
事情是这样的:离黑洞最近的圆盘部分的温度可以达到数万度——高到连原子都被撕裂，尘埃粒子也无法形成
来自圆盘的热量也温暖了它周围的区域，就像寒冷夜晚的篝火
远离黑洞时，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，就会形成尘埃；篝火越大(或者圆盘辐射的能量越多)，尘埃形成的距离就越远
所以测量吸积盘和环面之间的距离揭示了圆盘的能量输出，它与它的光度成正比
因为光穿越圆盘和圆环之间的空间可能需要几个月或几年的时间，天文学家需要跨越几十年的数据
这项新的研究依赖于近二十年来对黑洞吸积盘的可见光观测，这些观测是由几架地面望远镜捕捉到的
由尘埃发出的红外光被美国国家航空航天局的近地天体广域红外探测器(NEOWISE)探测到，该探测器以前被命名为WISE
该航天器大约每六个月对整个天空进行一次勘测，为天文学家提供了反复观察星系和寻找这些光“回声”迹象的机会
“该研究使用了2010年至2019年期间由WISE/NEOWISE收集的14次天空调查
在一些星系中，光花了10多年时间穿过吸积盘和尘埃之间的距离，使它们成为银河系外有史以来最长的回波
遥远的星系 使用回声映射来测量从地球到遥远星系的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长足的进步
这项研究是同类调查中最大的一项，它证实了回声映射在所有星系中以同样的方式进行，而不考虑黑洞的大小等变量，黑洞的大小在整个宇宙中可能会有很大的变化
但是这项技术还没有为黄金时段做好准备
由于多种因素，作者的距离测量缺乏精度
作者说，最值得注意的是，他们需要更多地了解环绕黑洞的尘圈内部区域的结构
这种结构可能会影响到一些事情，比如当光线第一次到达尘埃时，尘埃会发出哪些特定波长的红外光
WISE数据没有覆盖整个红外波长范围，更广泛的数据集可以改善距离测量
美国宇航局的南希·格雷斯·罗马太空望远镜将于2020年中期发射，将提供不同红外波长范围的目标观测
该机构即将进行的SPHEREx任务(代表宇宙历史分光光度计、再电离时代和冰探索者)将在多个红外波长下探测整个天空，这也有助于改进技术。
“回声映射技术的美妙之处在于，这些超大质量黑洞不会很快消失，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究员、该研究的主要作者钱洋说，他指的是黑洞盘可能经历数千年甚至数百万年的活跃燃烧
“因此，我们可以为同一个系统一遍又一遍地测量尘埃回波，以改进距离测量
" 基于光度的距离测量已经可以用被称为“标准蜡烛”的物体来完成，这些物体具有已知的光度
一个例子是一种被称为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)中发挥了关键作用
1a型超新星都有大约相同的光度，所以天文学家只需要测量它们的表观亮度来计算它们离地球的距离
使用其他标准蜡烛，天文学家可以测量物体的属性来推断其特定的光度
回声映射就是这种情况，每个吸积盘都是独一无二的，但测量光度的技术是一样的
能够使用多种标准蜡烛对天文学家来说是有好处的，例如能够比较距离测量来确认它们的准确性，并且每种标准蜡烛都有优点和缺点
“测量宇宙距离是天文学中的一个基本挑战，所以袖子上有额外锦囊妙计的可能性非常令人兴奋，”伊利诺伊大学香槟分校的研究员、该论文的合著者岳申说
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