新的星系距离标尺
Shannon Hall
译自SkyandTelescope.com，2014年4月2日
天文学家开发了新的手段来测量遥远的明亮星系的距离，这一工具将更好地帮助人们限制宇宙膨胀的速率。
宇宙的本质存在于一个常数之中。测量这一常数（也就是哈勃常数）就可以告诉我们宇宙膨胀的速率、年龄，最终告诉我们宇宙的命运。现在由东京大学的吉井让领导的一个天文小组开发出了一种全新的方法来测量这一关键参数。
艺术家笔下的AGN概念图。（图片提供：NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital）
哈勃常数
1929年，埃德温·哈勃注意到了当代天体物理中一个简单但惊人的关系，也就是星系距离越远，它们远离银河系的速度越快，从而发现了宇宙的膨胀。
星系距离与速度之间的比例系数是确定宇宙性质（包括其膨胀速率与年龄）的一种方法。然而虽然常数形式简单，它却非常难以精确测量。哈勃本人测量的数值是今天被人广泛接受的数值的7倍，相应的宇宙年龄只有20亿年。
在过去的85年里，天文学家使用最好的望远镜来确定哈勃常数的数值，其中包括较晚近的哈勃空间望远镜以及普朗克探测器。
由于我们无法将宇宙之尺轻易地伸到最近的星系并读取它的距离数据，天文学家使用本征亮度已知的“标准烛光”天体来测量距离。我们知道光线随距离增长而减暗的规律，因此如果我们知道了天体的本征亮度以及在地球上观测到的视亮度，就可以轻松计算出天体的距离了。
天文学家曾使用Ia型超新星作为标准烛光，并取得了巨大的成功。但他们还一直在搜索新的标准烛光，可以独立确定哈勃常数。这就是好科学的要求。
新的标准烛光
吉井让与同事认为，他们发现了一种新的标准烛光：活动星系核（AGN）。这些特大质量黑洞位于遥远星系的中央，以狂暴的速率狼吞虎咽着气体。气体在此过程中加热并发出明亮的辐射，亮度经常会超过它们的宿主星系。
由于AGN的亮度是Ia型超新星的10到100倍，它们适用的距离要遥远得多。这让宇宙距离阶梯向前飞跃了一大步。（好吧，这其实还是出于邻近宇宙中。）不过AGN是大不相同的猛兽，天文学家如何将它们驯化为标准烛光的？
论文合作者、来自澳大利亚国立大学的布鲁斯·彼得森（Bruce Peterson）说，这都要归结为尘埃。寄居在星系中央的黑洞周围有尘埃形成，不过尘埃无法在过于靠近黑洞炽热吸积盘的地方出现。相反，尘埃颗粒只能在更为遥远的环状结构中形成，这样吸积盘和尘埃环之间就出现了一道空隙。空隙的大小取决于黑洞吸积盘的热量（也就是亮度）。只要能测量空隙的尺度，就可以给出AGN的本征亮度进而是距离了。
这张示意图描绘了一个遥远的AGN。图中包围着吸积盘以及特大质量黑洞的尘埃环用橙色表示。（图片来源：Urry & Padovani 1995）
但是天文学家无法看到尘埃环本身。它过于狭小遥远，当前的技术条件无法解析它。秘诀在于观测AGN的光线随时间的变化。来自吸积盘的紫外辐射在抵达尘埃盘内缘之前要先穿过空隙，在这里被吸收，并在随后不久作为红外线再辐射出来。吉井让的小组观察了“回光”，寻找紧随紫外辐射峰之后的近红外辐射峰。期间的时间延迟可以给出尘埃环的尺度。
当然，天文学上结论的得出必然伴随着假设。这里小组必须要假设尘埃的特性，不可否认地，这是计算中最大的误差来源。
吉井让的小组使用夏威夷茂伊岛（Maui）哈莱阿卡拉（Haleakala）天文台的专用2米望远镜对17个AGN进行了6年的观测。他们将结果（70-76千米/秒/百万秒差距）与哈勃空间望远镜关键计划的结果（71.4-76.2千米/秒/百万秒差距）作了比较，并发现二者吻合得很好。（额外的好处是：新的方法将哈勃定律从大约7000万光年延伸到了5亿光年处。）
但是这两个结果都与宇宙微波背景辐射的观测略有出入。普朗克探测器最近分析了遥远的宇宙，推出的哈勃常数当前数值为67-68.6千米/秒/百万秒差距，而哈勃关键计划以及吉井让的小组都是直接在邻近宇宙计算哈勃常数的。
上图描绘了将退行速度和距离联系到一起的哈勃定律。绿色数据点表示哈勃空间望远镜关键计划的结果，红色数据点表示小组的结果。（图片来源：Yoshii et al. 2014）
这一差异可能是真实存在的，说明膨胀速率（进而是暗物质）随时间推移有所改变。不过这一结论并不能轻易得出——所有测量中都存在大量的误差。
来自哥白尼天文中心的博泽纳·采尔尼（Bozena Czerny）说：“重要的是，要强调新的方法当然没有老的那么成熟。不过同样很重要的是找到尽可能多的新方法，并将它们发展成熟。”
参考文献：吉井让等人，《测量河外距离的新方法》，《天体物理学通报》，2014年
