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? ?在宇宙中測(cè)量距離是很困難的，通常通過(guò)測(cè)量物體的實(shí)際亮度與我們認(rèn)為光年之外的亮度之間的差異，并利用這一差異來(lái)計(jì)算光的傳播距離。但現(xiàn)在天文學(xué)們利用黑洞的回聲來(lái)測(cè)定距離。

抬頭看天，我們所看到的星空只是二維平面視圖，憑我們的單薄力量，很難弄清宇宙中的三維空間。

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把恒星繪成密織的星座很簡(jiǎn)單，但測(cè)量它們的距離，分辨它們的遠(yuǎn)近卻很難。

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測(cè)量宇宙中物體距離的方法之一是 “標(biāo)準(zhǔn)燭光法”（燭：具有固定亮度的物體，且亮度被我們已知）——天文學(xué)家測(cè)出該物體本身的亮度（本征亮度）和數(shù)光年之外的我們所觀測(cè)到的亮度之間的差距，然后用該差值計(jì)算光傳播的距離。

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對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)燭光法” 的理解：距離發(fā)光體S越遠(yuǎn)，同一面積A上接收到光越少，光的強(qiáng)度越弱，與距離的平方成反比。

圖源：brilliant

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這些“標(biāo)準(zhǔn)燭光”包括固有亮度與其脈沖周期有關(guān)的脈沖星（如造父變星）和具有有限峰值亮度范圍的超新星（如Ia型超新星）。

船尾座RS是銀河系中最亮的造父變星之一，由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝 圖源：wikipedia

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SN 1994D（左下方的亮點(diǎn)）是在星系NGC 4526中的一顆Ia超新星。 圖源：wikipedia

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如今，天文學(xué)家們論證了利用超大質(zhì)量黑洞測(cè)距的可行性，或者說(shuō)是這些黑洞的回波，雖然它看似是宇宙中最不可能用來(lái)測(cè)距的工具。

伊利諾伊大學(xué)香檳分校的天文學(xué)者岳深（音譯）說(shuō)：“測(cè)量宇宙距離是天文學(xué)最基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)，所以，有希望多擁有一個(gè)測(cè)距的錦囊妙計(jì)（新的測(cè)量方法）非常令人興奮。”

這張計(jì)算機(jī)模擬圖像顯示了星系中心的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。這個(gè)擁有強(qiáng)大的引力的宇宙怪物扭曲了周?chē)目臻g，像個(gè)哈哈鏡，拖曳著附近星光。

圖源：美國(guó)航空航天局/歐洲航天局/D.科、J.安德森R.范德馬雷爾（空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所）

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你可能會(huì)有些迷惑，雖然我們的確或多或少地知道黑洞的亮度，但

這毫無(wú)用處，因?yàn)樗鼈兦∏∈枪獾膶?duì)立。

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它們并不會(huì)發(fā)出明顯的輻射，實(shí)際上是不可見(jiàn)的。

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銀河中有多達(dá)十億個(gè)恒星質(zhì)量的黑洞，我們僅僅只是發(fā)現(xiàn)了其中的一小點(diǎn)。

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然而，那些位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞完全是另一碼事。

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的確，我們看不到它們，但是事實(shí)上如果這些黑洞很活躍，它們周?chē)奈镔|(zhì)將會(huì)非常明亮。正是它們周?chē)h(huán)境中光的傳播可以被用來(lái)測(cè)量固有亮度。

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超大質(zhì)量黑洞靠其周?chē)奈镔|(zhì)為食，這些物質(zhì)以一種已知結(jié)構(gòu)分布在黑洞附近。處在中心的位置的就是黑洞，它像饕餮一樣吞噬周?chē)奈镔|(zhì)，是太陽(yáng)質(zhì)量的數(shù)百萬(wàn)到數(shù)百億倍。

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黑洞周?chē)詧A盤(pán)形環(huán)繞的物質(zhì)，由于引力被吸入黑洞，就像水打著旋兒落入下水道。這就是吸積盤(pán)，其中強(qiáng)烈的引力和摩擦力加熱了這些物質(zhì)并使其明亮地閃耀著，但這跟天文學(xué)家所觀測(cè)到的不同。

圖源：阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡 （歐洲南方天文臺(tái)/日本國(guó)家天文臺(tái)/美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)）

在吸積盤(pán)的外側(cè)是一個(gè)更大的云團(tuán)，由塵埃環(huán)繞成甜甜圈狀的圓環(huán)面。

把它們放在一起整體的結(jié)構(gòu)如上圖所示。外側(cè)的塵埃云團(tuán)是回波映射或回聲映射技術(shù)的關(guān)鍵。

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吸積盤(pán)的最靠近活躍的超大質(zhì)量黑洞的區(qū)域常常發(fā)出可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)光波明亮地閃耀著，當(dāng)光到達(dá)圓環(huán)形塵埃云的時(shí)候，它會(huì)發(fā)出“回聲（波）”。

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可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)光被塵埃云吸收，并加熱并釋放出熱能，成為中紅外光的形式。

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吸積盤(pán)可能非常大，光到達(dá)環(huán)形塵埃云并被“反射”出來(lái)也許要花費(fèi)數(shù)年。但是由于我們知道光速，天文學(xué)家們可以利用（發(fā)出的）光和回波計(jì)算吸積盤(pán)內(nèi)側(cè)邊緣和塵埃云的距離。

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這就很“簡(jiǎn)單”了。我們知道吸積盤(pán)內(nèi)測(cè)邊緣極熱，同時(shí)從黑洞越向外吸積盤(pán)的溫度越低。

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當(dāng)溫度降到1,200攝氏度（2,200華氏度）時(shí)就會(huì)形成塵埃云。

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因此，環(huán)形塵埃云和吸積盤(pán)內(nèi)側(cè)邊緣之間的距離與那地獄般的高溫是成比例的。

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如果知道了距離，我們就可以計(jì)算溫度——一旦得到了溫度，就可以計(jì)算這個(gè)區(qū)域發(fā)出多少光、光亮度的變化、以及其本身亮度。 這被稱(chēng)為R-L關(guān)系（即R半徑和L亮度）。

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當(dāng)然，這肯定不止這么簡(jiǎn)單。你必須以一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)間跨度觀測(cè)黑洞，探測(cè)可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)光和中紅外光回波。

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一個(gè)由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的錢(qián)陽(yáng)（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)梳理了由地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡所收集到的對(duì)可見(jiàn)光近20年的探測(cè)數(shù)據(jù)。

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除此之外他們還研究了2010-2019年間美國(guó)國(guó)家航空航天局的近地物體廣域紅外勘測(cè)儀所捕獲的紅外光數(shù)據(jù)。

藝術(shù)家筆下的近地物體廣域紅外勘測(cè)儀（簡(jiǎn)稱(chēng)WISE或NEOWISE）

圖源：wikipedia

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他們利用可見(jiàn)光和中紅外光識(shí)別到587個(gè)超大質(zhì)量黑洞，這是同類(lèi)研究中規(guī)模最大的一次。

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雖然這些數(shù)據(jù)仍需進(jìn)一步改進(jìn)，因?yàn)檫@些紅外線(xiàn)研究并未覆蓋全部的紅外線(xiàn)波段，這就意味著在計(jì)算距離時(shí)有很大的不確定性，但它們的確證實(shí)了R-L比例關(guān)系，并且在這些樣本里大小各異的超大質(zhì)量黑洞中，回波的傳播方式相同。

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測(cè)量工作仍在不斷改進(jìn)中。

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該團(tuán)隊(duì)正在努力改進(jìn)他們的模型以更好的貼合塵埃的形成與紅外光的產(chǎn)生。當(dāng)然，正在進(jìn)行的研究采用了更完善的技術(shù)，將帶來(lái)更高質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)。

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錢(qián)陽(yáng)說(shuō)：“回波映射技術(shù)的妙處在于這些超大質(zhì)量黑洞不會(huì)很快消失，所以我們可以重復(fù)測(cè)量塵?；夭ㄒ愿倪M(jìn)同一系統(tǒng)中的測(cè)距工作?！?/p>

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該研究已發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》中。

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作者: MICHELLE STARR

FY: U_Uranus

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