【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】自類星體發(fā)現(xiàn)半個(gè)多世紀(jì)以來，測(cè)量它們的宇宙學(xué)距離一直是天文學(xué)家面臨的重大難題。近日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員王建民領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種全新的幾何測(cè)距方法，成功測(cè)量了類星體3C 273的宇宙學(xué)距離。相關(guān)文章“A parallax distance to 3C 273 through spectroastrometry and reverberation mapping”于2020年1月13日發(fā)表在《自然-天文》 (Nature Astronomy) 上。
 

　　類星體幾何距離測(cè)量需要極高空間分辨率的觀測(cè)，且只能通過干涉突破瑞利極限得以實(shí)現(xiàn)。在過去的十年中，歐洲南方天文臺(tái)付出了巨大的努力，在世界上甚大望遠(yuǎn)鏡光干涉陣列(VLTI)上成功實(shí)現(xiàn)對(duì)第一顆類星體3C 273高達(dá)10微角秒空間分辨率的觀測(cè)。王建民團(tuán)隊(duì)利用干涉數(shù)據(jù)，巧妙地結(jié)合中科院云南天文臺(tái)麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)Steward天文臺(tái)Bok 2.3米望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)達(dá)10年的反響映射數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。這種方法不依賴于任何已有的距離階梯，也不依賴于傳統(tǒng)工具必需的消光、紅化以及標(biāo)準(zhǔn)化等改正，而且系統(tǒng)誤差可進(jìn)行觀測(cè)檢驗(yàn)，為精確丈量宇宙幾何、研究宇宙膨脹速度和歷史開辟了一個(gè)新途徑。
 

　　宇宙學(xué)以高精度測(cè)量距離為觀測(cè)基礎(chǔ)。上世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家E.Hubble(哈勃)發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹: 大多數(shù)星系正在遠(yuǎn)離我們而去，且退行速度(紅移)和星系的距離成正比。這一比例系數(shù)如今被稱為哈勃常數(shù)，它表征了宇宙當(dāng)前的膨脹速度。觀測(cè)宇宙學(xué)的核心之一就是測(cè)量距離—紅移關(guān)系，它描述了宇宙膨脹歷史，可直接回答關(guān)于宇宙年齡、幾何、組成成分等基本問題，甚至能夠檢驗(yàn)很多新物理的預(yù)言。在天文觀測(cè)中，遙遠(yuǎn)天體的紅移可以精確獲得，但距離的精確測(cè)量從來都是天文學(xué)家的大難題。
 

　　傳統(tǒng)的距離測(cè)量工具以造父變星和Ia型超新星為主。在哈勃定律發(fā)現(xiàn)初期，距離測(cè)量主要基于美國(guó)天文學(xué)家H.S.Leavitt在1912年發(fā)現(xiàn)的造父變星中的周光關(guān)系，即光變周期和光度成正比。因此通過測(cè)量造父變星的周期就可以計(jì)算光度，進(jìn)而估計(jì)距離。這一方法具有強(qiáng)大的生命力，從100多年前到現(xiàn)在仍然是距離測(cè)量的主要工具之一。目前，天文學(xué)家觀測(cè)到的遠(yuǎn)的造父變星距離地球?yàn)?9Mpc(約1億光年)，更遠(yuǎn)的造父變星由于太暗而無法觀測(cè)，而且這一工具受到消光和紅化的影響。幸運(yùn)的是，以著名的Chandrasekhar白矮星質(zhì)量極限為理論基礎(chǔ)，人們發(fā)現(xiàn)Ia超新星可以作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，為測(cè)量更遠(yuǎn)的距離打開了新的大門。超新星爆發(fā)時(shí)的光度很高，與整個(gè)星系相當(dāng)，使天文學(xué)家可以測(cè)量比造父變星更遠(yuǎn)的距離。借助這一方法，S.Perlmutter, B.Schmidt和A.Riess測(cè)量了高紅移超新星樣本，獲得了距離—紅移關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了宇宙的加速膨脹和暗能量。2011年他們獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與造父變星測(cè)距類似，因涉及光度，這一方法也依賴于消光和紅化改正，此外還受限于Phillips關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)化過程。
 

　　20世紀(jì)另一項(xiàng)重大突破性的發(fā)現(xiàn)是宇宙微波背景輻射，對(duì)它的測(cè)量使天文學(xué)進(jìn)入“精確宇宙學(xué)”時(shí)代。給定一個(gè)參數(shù)化的宇宙學(xué)模型，就能由微波背景輻射的各向異性獲得宇宙學(xué)參數(shù)，包括哈勃常數(shù)。然而，隨著觀測(cè)精度的提升，傳統(tǒng)方法和微波背景輻射給出的哈勃常數(shù)之間出現(xiàn)了高達(dá)4.4σ的偏離。這稱為“哈勃常數(shù)危機(jī)”。這一危機(jī)意味著要么觀測(cè)存在未知因素的影響，要么宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型需要修改，新物理很有可能蘊(yùn)藏其中。在這樣一個(gè)十字路口，天文學(xué)家對(duì)高精度新工具的需求日益緊迫。新工具應(yīng)該既不依賴于已有的距離階梯，也不依賴于標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，還要有與已有測(cè)量可比擬的精度(2%左右)。
 

　　高空間分辨率是天文學(xué)家的永恒追求，也為幾何方法高精度測(cè)量宇宙學(xué)距離提供了難得機(jī)遇。GRAVITY是歐洲南方天文臺(tái)耗資近億歐元、歷時(shí)十年完成的終端儀器，裝配在VLTI上。它在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10微角秒的空間分辨率，相當(dāng)于一臺(tái)口徑130米的望遠(yuǎn)鏡。在2017年投入使用以來，已經(jīng)在系外行星、銀心黑洞、微引力透鏡等領(lǐng)域得到大量全新的結(jié)果，不斷刷新人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。在2017年到2018年間，GRAVITY團(tuán)隊(duì)成功測(cè)量了類星體3C 273的寬線區(qū)角徑為46微角秒，是目前人類對(duì)活動(dòng)星系核寬線區(qū)所做的空間分辨率觀測(cè)。與此同時(shí)，王建民團(tuán)隊(duì)從2012年以來一直使用麗江的2.4米望遠(yuǎn)鏡對(duì)活動(dòng)星系核的寬線區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期的光譜監(jiān)測(cè)。通過測(cè)量發(fā)射線相對(duì)連續(xù)譜光變之間的延遲，可直接獲得寬線區(qū)的物理尺度。更為細(xì)致的分析還可以獲得寬線區(qū)氣體幾何結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)，測(cè)量中心黑洞的質(zhì)量，這一觀測(cè)技術(shù)被稱為反響映射。該團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到超愛丁頓吸積的活動(dòng)星系核具有特殊性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)延遲縮短、黑洞飽和光度等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象獲得了美國(guó)斯隆巡天計(jì)劃觀測(cè)證實(shí)。在近十年中，他們系統(tǒng)發(fā)展了各種必需的分析方法和軟件，為高精度測(cè)量黑洞質(zhì)量和宇宙學(xué)距離奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。
 

　　此外，本項(xiàng)研究還將GRAVITY/VLTI干涉與反響映射觀測(cè)聯(lián)合分析，實(shí)現(xiàn)了類星體距離的直接測(cè)量，為解決哈勃常數(shù)危機(jī)提供了新途徑。在GRAVITY團(tuán)隊(duì)發(fā)布了類星體3C 273的干涉觀測(cè)結(jié)果后，王建民團(tuán)隊(duì)敏銳地意識(shí)到兩套獨(dú)立觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的互補(bǔ)性：GRAVITY觀測(cè)的是寬線區(qū)的張角，而反響映射觀測(cè)的是物理尺寸。通過建模綜合分析，他們獲得了3C 273的角距離和哈勃常數(shù)。僅僅借助單個(gè)類星體的觀測(cè)數(shù)據(jù)，哈勃常數(shù)測(cè)量的統(tǒng)計(jì)誤差僅有16%。3C 273距離地球大約20億光年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出利用造父變星測(cè)量距離方法的極限。審稿人認(rèn)為這項(xiàng)工作是提高黑洞質(zhì)量和宇宙學(xué)距離測(cè)量精度的必經(jīng)方案，十分及時(shí)和令人激動(dòng)，將深受學(xué)界歡迎。
 

　　目前，GRAVITY團(tuán)隊(duì)和王建民團(tuán)隊(duì)正在積極協(xié)同觀測(cè)，擴(kuò)大樣本。根據(jù)GRAVITY現(xiàn)有的觀測(cè)能力，大約有50個(gè)活動(dòng)星系核可以作為GRAVITY—反響映射協(xié)同觀測(cè)目標(biāo)，在未來幾年內(nèi)有望將哈勃常數(shù)的測(cè)量精度提高到2%以上，為解決“哈勃常數(shù)危機(jī)”提供獨(dú)立和精確的測(cè)量。而在未來的5年，下一代GRAVITY的觀測(cè)能力將大幅提高，屆時(shí)將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紅移高達(dá)z=3的類星體進(jìn)行距離測(cè)量，建立寬紅移范圍的距離—紅移關(guān)系，直接測(cè)量哈勃參量、研究宇宙的膨脹歷史以及檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型。這將開拓人們對(duì)宇宙學(xué)、暗物質(zhì)和暗能量以及新物理的深刻認(rèn)識(shí)。
 

　　這項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)專項(xiàng)支持。