当你抬头仰望夜空时，你怎么知道你所看到的那些光点是明亮而遥远的，还是相对微弱而近？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，揭示了一个物体与观察者的距离。测量天体的亮度是一项挑战，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：它们经常拉拽周围的大量物质，形成能发出明亮辐射的吸积盘。
通过测量明亮黑洞吸积盘的亮度，天文学家可以测量到黑洞及其所在星系的距离。距离测量不仅可以帮助科学家创建一个更好的宇宙三维地图，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“回声映射（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。
当靠近黑洞的热等离子体（失去电子的原子）变得更亮时，就开始了回声映射的过程，有时甚至会释放出短暂可见光耀斑（即人眼能看到的波长）。光离开了黑洞吸积盘，最终会遇到一个大多数超大质量黑洞系统的共同特征:一个巨大的尘埃云，形状像甜甜圈(也被称为环面)。当来自吸积盘的闪光到达布满尘埃的圆环内壁时，光线被吸收，导致尘埃升温并释放出红外光。
黑洞的“回声映射”
这明亮的环面是一个直接回应，或者，有人可能会说一个“回声”的变化发生在吸积盘。从吸积盘到尘埃环体内部的距离，可能是巨大的（数十亿或数万亿英里）。即使是以每秒300000公里速度飞行的光，也需要数月或数年才能穿过它。如果天文学家能观测到吸积盘中最初的可见光耀斑和随后的环面红外亮度，就能测量光在这两个结构之间传播的时间。因为光以标准的速度传播，这个信息也给天文学家提供了吸积盘和环面的距离。
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。
篝火越大（或者说吸积盘辐射的能量越多），尘埃就会离它越远。所以测量吸积盘和环面之间的距离，就可以得到吸积盘的能量输出，这与它的光度成正比。由于光可能需要数月或数年才能穿过星盘和环面之间的空间，天文学家需要数十年的数据。这项新研究依赖于近20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。
遥远的星系
尘埃发出的红外光被美国宇航局（NASA）近地天体宽场红外探测探测器(NEOWISE)探测到，该探测器之前被命名为WISE。该航天器大约每六个月对整个天空进行一次勘察，为天文学家提供了反复观察星系和寻找这些光“回声”的机会。这项研究使用了WISE/NEOWISE在2010年至2019年间收集的14次天空调查。在一些星系中，光要用10年以上的时间才能穿过吸积盘和尘埃之间的距离，这是迄今为止在银河系以外测量到的最长回声。
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。
WISE的数据并不包括整个红外波长范围，更广泛的数据集可以改善距离测量。美国宇航局南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜将于本世纪20年代中期发射，它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、再电离时代和冰探测者的光谱光度计）将在多种红外波长下探测整个天空，并有助于改进这项技术。该研究的主要作者，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校研究员钱扬说：
标准烛光
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。基于亮度的距离测量，已经可以用已知光度的“标准烛光”对象来完成。其中一个例子就是一种被称为1a型超新星的爆炸恒星，它在发现暗能量（暗能量是指宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力）方面发挥了关键作用。1a型超新星的光度都差不多，所以天文学家只需要测量它们的表观亮度就能计算出它们与地球的距离。
用其他标准蜡烛，天文学家可以测量一个物体的性质，以推断其特定的光度。这就是回声映射的情况，每个吸积盘都是唯一的，但测量光度的技术相同。对于天文学家来说，使用多种标准蜡烛有很多好处，比如可以比较距离测量结果以确认它们的准确性，而每种标准蜡烛都有各自的优缺点。测量宇宙距离是天文学的一个基本挑战，所以有可能有一个额外的技巧非常令人兴奋。
博科园｜研究/来自：JPL/NASA
参考期刊《天体物理学》
DOI: 10.3847/1538-4357/aba59b
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