围绕着超大质量黑洞的热物质盘发出一束可见光，该可见光传播到一团尘土环，随后又发出红外光。蓝色箭头表示来自磁盘的光移向尘埃，并且来自两个事件的光均向观察者传播。图片来源：NASA / JPL-Caltech

当您仰望夜空时，如何知道所看到的光斑是明亮而遥远，还是相对微弱且近在咫尺?一种发现的方法是将物体实际发出的光与它看起来的亮度进行比较。它的真实亮度和其表观亮度之间的差异揭示了物体与观察者的距离。

测量天体的亮度是具有挑战性的，特别是与黑洞，它不发射光。但是位于大多数星系中心的超大质量黑洞却提供了一个漏洞：它们经常在周围拉动许多物质，形成可以明亮地辐射的热盘。测量亮盘的光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宇宙图，还可以提供有关如何以及何时形成物体。

在一项新的研究中，天文学家使用一种被昵称为“回声映射”的技术来测量500多个星系中黑洞盘的发光度。这项研究于上月发表在《天体物理学杂志》上，为这种方法可用于测量地球与这些遥远星系之间的距离的想法提供了支持。

回声映射的过程(也称为混响映射)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)肉眼)。该光从磁盘上传播出去，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体和气体环，最后是粉圆环，它构成了最宽，最外层的环。红心。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。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“回声”。

此动画显示了作为天体物理学技术(称为“回声映射”)的基础的事件，也称为混响映射。中心是一个超大质量的黑洞，周围被称为吸积盘的材料盘围绕。随着光盘变亮，有时甚至会释放出一小段可见光。蓝色箭头表示来自闪光灯的光线从黑洞传播出去，既朝着地球上的观察者，又朝着由灰尘制成的巨大的甜甜圈形结构(称为圆环)。光线被吸收，导致灰尘加热并释放红外光。灰尘的增亮是对磁盘中发生的更改的直接响应，或者可以说是“回声”。红色箭头表示此光从银河系移开，与可见光的初始闪光方向相同。因此，观察者将首先看到可见光，然后(使用正确的设备)看到红外光。图片来源：NASA / JPL-Caltech

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可见光的初始光斑，又可以观察到圆环中随后的红外光增亮，那么他们还可以测量光在这两个结构之间传播所花费的时间。因为光以标准速度传播，所以该信息还为天文学家提供了磁盘与圆环之间的距离。

然后，科学家可以使用距离测量来计算磁盘的光度，以及理论上磁盘与地球的距离。方法如下：磁盘上最靠近黑洞的部分的温度可以达到数万度，如此之高，以至于原子甚至被撕裂，并且尘埃不会形成。磁盘产生的热量也使磁盘周围的区域变热，就像在寒冷的夜晚篝火一样。远离黑洞，温度逐渐降低。

天文学家知道，当温度降至华氏2200度(约1200摄氏度)时，就会形成粉尘。篝火越大(或磁盘散发出的能量越多)，灰尘就越远离它。因此，测量吸积盘与圆环之间的距离可以揭示出该盘的能量输出，该能量输出与它的光度成正比。

因为光要花费数月或数年才能穿越磁盘和圆环之间的空间，所以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积积盘的可见光观测，这些观测是由几台地基望远镜捕获的。尘埃发出的红外光由NASA的近地物体广域红外勘测浏览器(NEOWISE)(以前称为WISE)检测到。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“回声”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项天空测量数据。在某些星系中，光花了10年多的时间才能穿越吸积盘之间的距离。 和尘埃，使它们成为银河系外测得的最长回声。

遥远的星系

使用回波映射来测量从地球到遥远星系的距离的想法并不新鲜，但是这项研究在证明其可行性方面取得了长足的进步。该研究是同类研究中规模最大的一次，它证实了回声映射在所有星系中都以相同的方式发挥作用，而不管诸如黑洞大小之类的变量如何变化，而黑洞的大小在整个宇宙中可能会发生很大变化。但是这项技术还没有准备就绪。

由于多种因素，作者的距离测量缺乏准确性。作者说，最值得注意的是，他们需要更多地了解围绕黑洞的甜甜圈内部区域的结构。这种结构可能会影响诸如尘埃在首次到达时会发出特定波长的红外线的事物。

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，它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(代表宇宙历史的分光光度计，电离时代和Ices Explorer)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。

该研究的主要作者，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究员钱扬说：“回声映射技术的美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活跃燃烧。“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。”

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)的发现中发挥了关键作用。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其与地球的距离。

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。回声映射就是这种情况，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，并且每个标准蜡烛都有其优点和缺点。

伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究员，论文的共同作者，沉岳。