借“索伦之眼”测量星系距离
借“索伦之眼”测量星系距离
星系NGC4151，又被称为“索伦之眼”。这张照片显示了星系中心仍在活动的超大黑洞。黑洞周围的炽热气体发出紫外辐射（中央处的蓝色），更外圈的尘埃环则发出红外辐射（外侧的红色）。图片来源：NASA
测量宇宙中极其遥远的距离，是天文学的重大难题之一。目前最常用的方法都只能测量相对距离，不过现在，丹麦尼尔斯玻尔研究所（NielsBohrInstitute）的科学家证明，利用超大质量黑洞，他们能精确测量出遥远的星系距离。这项研究发表在11月27日出版的《自然》（Nature）杂志上。
他们测出距离的这个天体名为NGC4151，是一个体形不大的旋涡活动星系。由于形似电影《魔戒》里索伦魔眼的形象，这个星系又被昵称为“索伦之眼”。在它的中心有一个超大质量黑洞，而且这个黑洞仍在活跃，也就是说它还在从周围吸积气体——正是这个过程，使得天文学家有可能来测量它所在的星系到我们地球的距离。
气体落向黑洞时，会被加热，并发射出紫外辐射。这些紫外辐射加热更外侧的尘埃环，使之发出红外辐射。利用地球上的望远镜，天文学家能够测量紫外线和红外线之间的时间延时，大约是30天。图片绘制：MarieDyekjærEriksen
丹麦哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所暗宇宙学中心助理教授达拉克·沃森（DarachWatson）解释说：“当气体落向黑洞时，它会被加热，发射出紫外辐射。这些紫外辐射会加热一个尘埃环，后者在更远的距离上环绕黑洞运行。而被加热的尘埃，又会因此发射出红外辐射。利用地球上的望远镜，我们能够测量来自黑洞的紫外辐射和来自尘埃云团的红外辐射之间存在的时间延迟。这个时间延迟大约是30天，而我们又确切知道光速有多快，于是我们便能计算出黑洞和环绕它的尘埃环之间，到底间隔了多少真实的物理距离。”
利用位于美国夏威夷莫纳克亚山顶上的两台口径10米的凯克望远镜，并通过被称为“干涉测量”（interferometry）的方法将两台望远镜接收到的星光合并在一起，便能获得极其清晰的影像，等效分辨率相当于一台口径85米的望远镜（这也是两台凯克望远镜的间距），要比哈勃空间望远镜高出100倍。这让天文学家有能力测量黑洞周边的尘埃环在我们地球的夜空中呈现出来的张角大小，大约为1°的1200万分之一。现在，你知道了这个尘埃环的真正物理尺寸（30光天），也知道从地球上看过去它有多大，它到地球的距离就可以用简单的几何公式计算出来了。
两台口径10米的凯克望远镜联手观测，便能获得极其清晰的影像，等效分辨率相当于一台口径85米的望远镜。图片来源：NASA
沃森说：“我们计算得出的距离是6200万光年。此前，根据宇宙学红移（由于遥远的星系都在远离我们而导致的星光波长的改变）计算的距离介于1300万到9500万光年之间。因此，我们已经消除了大量的不确定性，现在能够精确测量这个距离了。对于测量宇宙级别的距离来说，这个结果非常重要。”
这项研究主要是由沃森和塞巴斯蒂安·霍尼格（SebastianHönig）合作完成的。霍尼格是这项研究的第一作者，原本也在尼尔斯玻尔研究所工作，现在已经跳槽去了英国的南安普敦大学。
“最重要的发现之一是，用这种新方法测量的距离相当精确——准确率达到90%。”霍尼格说，“事实上，这种基于简单几何原理的测距方法，为遥远的星系提供了最精确的距离测量。不仅如此，与目前的测距方法相比，新方法在许多天体上还更容易使用。这样的距离测量是确定宇宙膨胀参数的关键，也有助于更精确地测量黑洞的质量。事实上，NGC4151就是一个关键，可以校准估算黑洞质量的不同方法。我们测得的新距离暗示，对黑洞质量的估测整体上可能偏低了40%。”
目前，霍尼格和沃森正与其他同事合作，制定一个新的计划，将他们的新方法扩展到更多的活动星系核上。他们的目标是，利用这种技术精确测量十几个星系的距离，再利用这些距离将宇宙学参数精确到百分之几的误差范围之内。这将帮助我们更好地理解我们所处的宇宙膨胀的历史。（编辑：Steed）
编译来源尼尔斯玻尔研究所官网Usingsupermassiveblackholestomeasurecosmicdistances