6200萬光年外新“天尺”：索倫之眼度量星系

2014-11-28

科學家們精確測出星系NGC 4151的距離值為6200萬光年，而現在這一測量數值可以被用作測算其他天體距離的量天尺。在這張照片中，超大質量黑洞吞噬氣體塵埃物質時發出的劇烈X射線輻射形成了中間藍色的“眼珠”，而周圍的紅色環狀結構則是氫原子物質。

星系NGC 4151一般被天文學家們稱為“索倫之眼”，因為它與指環王中的一個角色眼睛的樣子相似。這個星系對於精確測定黑洞的質量非常重要。並且，就如同指環王中的劇情一樣，在這種新方法中，“環”的確起着非常關鍵的作用。

對環形結構的觀測動用了紅外干涉測量方法。具體來説就是將兩台位於夏威夷莫納克亞山頂的10米口徑大型望遠鏡(如圖)相連接，從而達成相當於口徑85米望遠鏡的分辨精度。

當氣體物質向着黑洞下落，在此過程中會被加熱併發出紫外波段附設，並造成周遭塵埃雲的升温。利用地球上的望遠鏡，科學家們測量了來自黑洞附近以及塵埃雲附近光線抵達的時間差，結果為30天。根據這一數值便可以換算出其真實距離值。

新浪科技訊北京時間11月28日消息，據英國《每日郵報》報道，利用一個被稱作“索倫之眼”的遙遠星系，天文學家們發展出一種可以精確測量距離數千萬光年外星系的新方法。

研究人員對一個編號為NGC 4151的遙遠星系進行了精確的距離測定，所採用的方法是將其黑洞周圍的塵埃環帶實際大小與從地球上觀察得到的大小值進行比對。這樣換算下來得到的距離值大約為6200萬光年。有了這一數據，之後天文學家們便可以將其作為標準“量天尺”，對其他遙遠的星系進行度量。

天文學中的主要問題之一便是對廣袤空間距離的測量。目前採用最多的方式就是所謂的“標準燭光”——這種方法的核心思想是利用已知亮度的特定類型恆星作為標尺，再根據它們的觀測亮度來反推距離。但現在，來自英國南安普頓大學以及丹麥尼爾斯·玻爾研究所的科學家們證明了，我們可以利用超大質量黑洞的一些特性作為標尺，來對遙遠的天體距離進行測量。

英國南安普頓大學的塞巴斯蒂安·霍寧格(Sebastian Hoenig)博士建立了一個模型，其原理與地球上開展的陸地調查方法相類似。簡單來説，其原理就是測量被觀測對象與已知標準“量天尺”之間的物理以及觀測大小，從而通過這種方式對距離信息進行校正。

有關這項工作的論文已經在《自然》雜誌發表。在這篇文章中，研究組利用這種方法精確測定了距離“較近”的星系NGC 4151 的距離，這一距離此前尚未被精確測出過。

宇宙中所有的大型星系中央幾乎都存在着超大質量的黑洞，並且其中大約有1/10的情況下，這些黑洞還在通過吞噬周邊氣體和塵埃物質而不斷成長。在這一過程中，高速下落的物質會被加熱而發出強光——這就是宇宙中已知最為劇烈高能輻射現象之一：活動星系核(AGN)的成因。另外，下落的物質不會直接直線下墜，而是會在圍繞超大質量黑洞形成一個環形結構並在紅外波段發出輻射，而這一結構正是這項研究中被科學家們用作標準量天尺的工具。

然而，這一環形結構實在太小，以至於對其進行的觀測不得不動用了紅外干涉測量方法。具體來説就是將兩台位於夏威夷莫納克亞山頂的10米口徑大型望遠鏡相連接，從而達成相當於口徑85米望遠鏡的分辨精度。

為了測量這一塵埃環結構的物理大小(即真實大小)，研究人員測量了來自靠近黑洞邊緣位置上的可見光以及環結構紅外輻射之間的時間差。這一時間差代表的是從接近黑洞的環結構邊緣出發的光(以光速)傳播到環結構外緣(高温塵埃物質分佈區)所花費的時間。

通過對比用這種方法得到的環結構真實大小以及通過聯合兩台凱克望遠鏡測得的觀測大小，研究人員得以推算出其真實距離。對於這一星系，此前的測量數據大約是在1300萬~9500萬光年之間，但採用這種新方法進行測量，得到的數值是確定的6200萬光年左右。

霍寧格博士表示：“一項關鍵性的成果是，藉助這種方法測算得到的距離值是相當精確的，其誤差範圍小於±10%。”他説：“事實上，如果針對星系NGC 4151的這一測量結果被證明是確鑿的，並且也可以推廣到其他星系，那麼這種方法將有望在精度上擊敗所有現有的距離測量方法，僅僅藉助簡單的幾何運算方法便可以直接測算出遙遠星系的距離值。另外，相比現有最精確的測量方法，這種新方法適用的天體範圍也更廣。這樣精確的距離測量對於限定宇宙常數具有重要意義，而後者則是描述我們所在的宇宙，或精確測算黑洞質量方面至關重要的參數。”

霍寧格博士表示：“在估算黑洞質量方面，星系NGC 4151是重要的校準基準。而我們得到的最精確距離測算結果卻顯示此前對這些黑洞質量的估算都存在着系統性低估的傾向，低估的程度最高可能達到40%。”

霍寧格博士和其他來自丹麥和日本的同事們目前正在開發一個新的程序，以便進一步擴展他們的工作，並運用這種新方法嘗試測算數十個星系的精確距離值，從而能夠將其誤差範圍降低到數個百分點的水平。當與其他測量結果相結合之後，這一成果將會加深我們對於宇宙膨脹歷史的理解。(晨風)