6200万光年外新“天尺”：索伦之眼度量星系

2014-11-28

科学家们精确测出星系NGC 4151的距离值为6200万光年，而现在这一测量数值可以被用作测算其他天体距离的量天尺。在这张照片中，超大质量黑洞吞噬气体尘埃物质时发出的剧烈X射线辐射形成了中间蓝色的“眼珠”，而周围的红色环状结构则是氢原子物质。

星系NGC 4151一般被天文学家们称为“索伦之眼”，因为它与指环王中的一个角色眼睛的样子相似。这个星系对于精确测定黑洞的质量非常重要。并且，就如同指环王中的剧情一样，在这种新方法中，“环”的确起着非常关键的作用。

对环形结构的观测动用了红外干涉测量方法。具体来说就是将两台位于夏威夷莫纳克亚山顶的10米口径大型望远镜(如图)相连接，从而达成相当于口径85米望远镜的分辨精度。

当气体物质向着黑洞下落，在此过程中会被加热并发出紫外波段附设，并造成周遭尘埃云的升温。利用地球上的望远镜，科学家们测量了来自黑洞附近以及尘埃云附近光线抵达的时间差，结果为30天。根据这一数值便可以换算出其真实距离值。

新浪科技讯北京时间11月28日消息，据英国《每日邮报》报道，利用一个被称作“索伦之眼”的遥远星系，天文学家们发展出一种可以精确测量距离数千万光年外星系的新方法。

研究人员对一个编号为NGC 4151的遥远星系进行了精确的距离测定，所采用的方法是将其黑洞周围的尘埃环带实际大小与从地球上观察得到的大小值进行比对。这样换算下来得到的距离值大约为6200万光年。有了这一数据，之后天文学家们便可以将其作为标准“量天尺”，对其他遥远的星系进行度量。

天文学中的主要问题之一便是对广袤空间距离的测量。目前采用最多的方式就是所谓的“标准烛光”——这种方法的核心思想是利用已知亮度的特定类型恒星作为标尺，再根据它们的观测亮度来反推距离。但现在，来自英国南安普顿大学以及丹麦尼尔斯·玻尔研究所的科学家们证明了，我们可以利用超大质量黑洞的一些特性作为标尺，来对遥远的天体距离进行测量。

英国南安普顿大学的塞巴斯蒂安·霍宁格(Sebastian Hoenig)博士建立了一个模型，其原理与地球上开展的陆地调查方法相类似。简单来说，其原理就是测量被观测对象与已知标准“量天尺”之间的物理以及观测大小，从而通过这种方式对距离信息进行校正。

有关这项工作的论文已经在《自然》杂志发表。在这篇文章中，研究组利用这种方法精确测定了距离“较近”的星系NGC 4151 的距离，这一距离此前尚未被精确测出过。

宇宙中所有的大型星系中央几乎都存在着超大质量的黑洞，并且其中大约有1/10的情况下，这些黑洞还在通过吞噬周边气体和尘埃物质而不断成长。在这一过程中，高速下落的物质会被加热而发出强光——这就是宇宙中已知最为剧烈高能辐射现象之一：活动星系核(AGN)的成因。另外，下落的物质不会直接直线下坠，而是会在围绕超大质量黑洞形成一个环形结构并在红外波段发出辐射，而这一结构正是这项研究中被科学家们用作标准量天尺的工具。

然而，这一环形结构实在太小，以至于对其进行的观测不得不动用了红外干涉测量方法。具体来说就是将两台位于夏威夷莫纳克亚山顶的10米口径大型望远镜相连接，从而达成相当于口径85米望远镜的分辨精度。

为了测量这一尘埃环结构的物理大小(即真实大小)，研究人员测量了来自靠近黑洞边缘位置上的可见光以及环结构红外辐射之间的时间差。这一时间差代表的是从接近黑洞的环结构边缘出发的光(以光速)传播到环结构外缘(高温尘埃物质分布区)所花费的时间。

通过对比用这种方法得到的环结构真实大小以及通过联合两台凯克望远镜测得的观测大小，研究人员得以推算出其真实距离。对于这一星系，此前的测量数据大约是在1300万~9500万光年之间，但采用这种新方法进行测量，得到的数值是确定的6200万光年左右。

霍宁格博士表示：“一项关键性的成果是，借助这种方法测算得到的距离值是相当精确的，其误差范围小于±10%。”他说：“事实上，如果针对星系NGC 4151的这一测量结果被证明是确凿的，并且也可以推广到其他星系，那么这种方法将有望在精度上击败所有现有的距离测量方法，仅仅借助简单的几何运算方法便可以直接测算出遥远星系的距离值。另外，相比现有最精确的测量方法，这种新方法适用的天体范围也更广。这样精确的距离测量对于限定宇宙常数具有重要意义，而后者则是描述我们所在的宇宙，或精确测算黑洞质量方面至关重要的参数。”

霍宁格博士表示：“在估算黑洞质量方面，星系NGC 4151是重要的校准基准。而我们得到的最精确距离测算结果却显示此前对这些黑洞质量的估算都存在着系统性低估的倾向，低估的程度最高可能达到40%。”

霍宁格博士和其他来自丹麦和日本的同事们目前正在开发一个新的程序，以便进一步扩展他们的工作，并运用这种新方法尝试测算数十个星系的精确距离值，从而能够将其误差范围降低到数个百分点的水平。当与其他测量结果相结合之后，这一成果将会加深我们对于宇宙膨胀历史的理解。(晨风)