河外測距新進展

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

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河外測距新進展

□ 文 何銳思（Richard de Grijs） / 翻譯 程思淼

何銳思

（Richard de Grijs）

北京大學科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負責人。

瀏覽過去這個月天文領(lǐng)域的最新進展時，有兩件事尤其引起我的注意。熟悉我的人會知道，我對那些能夠確定宇宙大小和幾何結(jié)構(gòu)的測量工作，以及這些測量方法背后的物理過程十分感興趣。幾年前我曾寫過一本關(guān)于天文測距的教科書。因此，當我看到這一領(lǐng)域有了新的成果，就立即決定要在這期的文章中與大家分享。

在不到20年之前，我們才知道了宇宙的膨脹速率在不斷增加。推動它加速膨脹的神秘壓力被稱為“暗能量”。這一發(fā)現(xiàn)是通過仔細觀測Ia型超新星做出的。由于Ia型超新星極為明亮，光度又十分接近，它們可以用作“標準燭光”——也就是那些內(nèi)稟光度可以通過它其他的觀測性質(zhì)推算出來的天體——來幫助我們揭示宇宙的歷史。

事實上，Ia型超新星還遠遠稱不上“標準”。它們與我們之間的星際塵埃主要吸收或散射藍色的光，使它們看上去比實際上更暗也更紅。而且它們自身發(fā)生熱核爆炸的物理機制也是不一樣的：可能是由于一顆白矮星的表面積累了太多從伴星吸積而來的物質(zhì)，也有可能是因為兩顆白矮星相撞發(fā)生的爆炸。因此，在這些“標準”的Ia型超新星之間，亮度（內(nèi)稟光度）其實會相差高達40%。雖然通過一些有效的（改正）方法，這種不確定性的范圍可以縮小到15%，但是對作為整個宇宙學工作基石的“標準燭光”來說，這畢竟還是太高了。

而現(xiàn)在，美國能源部下屬勞倫斯伯克利國家實驗室參與“近鄰超新星工廠計劃（Nearby Supernova Factory）”的研究人員已經(jīng)找到一種方法，能夠極大地減小估計超新星亮度時的這種不確定性。他們研究了約50顆鄰近的超新星，把其中光譜幾乎相同的超新星兩兩結(jié)成一對——通過這種方法，他們成功地把亮度（意指“絕對亮度”，文中下同）的不確定性控制在8%以下。因此，他們測得的這些超新星的距離就可以比以前精確一倍。

圖中為一種Ia型超新星的前身：由紅巨星（左）和白矮星（右，但是太小了，看不見）組成的雙星系統(tǒng)。氣體從紅巨星中流出，白矮星通過吸積盤（白矮星周圍發(fā)出藍白色光的物質(zhì)盤）把這些氣體中的一部分吸積到自己的表面。一旦白矮星的質(zhì)量達到了某一質(zhì)量下限（約1.4倍太陽質(zhì)量），它就會爆發(fā)為一顆Ia型超新星。

Ia型超新星是白矮星爆發(fā)的結(jié)果。如圖所示，它們在峰值亮度、保持明亮的時間以及亮度衰減的模式方面都有很大的差別。理論模型（黑色虛線）試圖解釋這種差異，比如為何較暗的超新星亮度下降得也更快，而較亮的超新星的變暗則更平緩?！敖彸滦枪S計劃”發(fā)布的一篇新的論文指出，如上圖所示，當我們把峰值亮度拉平，亮超新星和暗超新星之后的行為充分表明它們的前身白矮星有著不同的質(zhì)量，雖然爆炸還是可以當作“標準燭光”。

“超新星配對的方法，不去考慮究竟是什么造成了超新星之間亮度的差別，而只是把光譜吻合得最好的一對對挑出來，也就是說，用光譜的相似去比擬亮度的相似?！辈死麑嶒炇业挠钪鎸W家、項目帶頭人格瑞克?奧德靈（Greg Aldering）說?！拔覀冏罱K驗證了這個假設(shè)：如果兩顆超新星（的光譜）看上去差不多，那么它們本身也就差不多?！?/p>

漢娜?法庫里（Hannah Fakhouri）從她的博士課題開始就在做超新星配對的研究。她說，在伯克利實驗室里其實早就在討論超新星配對法的好處了；但對于研究者來說，他們主要是需要一批質(zhì)量足夠高的數(shù)據(jù)來驗證他們的假設(shè)。好在法庫里趕上了好時候：目前有了大量的鄰近Ia型超新星高精度光譜測光數(shù)據(jù)（同時測量光譜和亮度）可供她使用。這些數(shù)據(jù)由研究團隊在莫納克亞的夏威夷大學2.2米望遠鏡上安裝的“超新星集成視場攝譜儀”（SuperNova Integral Field Spectrograph，SNIFS）采集。

當然，這里的“鄰近”只是一種相對的說法。她所用到的超新星中，有的距離我們超過十億光年。不過，所有這些超新星都得到了全面和仔細的測量。雖然如今大獲成功，但是法庫里說，最初的研究其實是枯燥的“冷板凳”，需要的是刻苦和細致。超新星的光度迅速達到極大，而后逐漸變暗——在不同的顏色（波長）上，它們增亮和變暗的速率是不一樣的。要把若干條密集地采集的光譜的時間序列恰當?shù)嘏鋵Γ^對是一項艱巨的任務(wù)。研究人員依據(jù)光譜對這些超新星進行分類和配對的時候完全是“盲”的，除了光譜之外，他們不知道超新星的其他任何信息。

“出結(jié)果的時候我們都很緊張，”法庫里說，“我們可能會發(fā)現(xiàn)配對其實一點用也沒有?！辈贿^結(jié)果讓人長舒一口氣：兩個超新星的光譜越相近，它們的絕對亮度也越接近。

這一結(jié)果表明，一直以來為人們所接受的、Ia型超新星在亮度上的15%的不確定性并非只是統(tǒng)計隨機的彌散。它只是表明了我們對超新星自身性質(zhì)差異的無知?，F(xiàn)在，配對法顯著地減少了亮度彌散，也就是說，對于同一對的兩顆超新星來說，我們的了解又多了一些。作為目標天體的超新星，也向著真正的“標準燭光”又邁出了一大步。

目前，將超新星“改造”成“標準燭光”的通用方法，是考慮超新星的光變曲線：越暗的Ia型超新星，其光變曲線就越陡峭，顏色也越紅。人們用這一規(guī)律改正超新星的亮度，以使它們“標準化”。不過，配對法（在精度上）不費吹灰之力就勝過了光變曲線法。而且研究人員還發(fā)現(xiàn)，實際上只要用一條光譜就可以了，整個時段的光譜序列是不需要的。

在超新星SN2011fe爆發(fā)之后僅數(shù)小時，就被帕洛瑪瞬變天文臺（Palomar Transient Observatory）發(fā)現(xiàn)了。這顆超新星位于北斗七星勺柄外的M101星系。“近鄰超新星工廠計劃”對它的顏色和光譜隨時間的演化所進行的研究，為今后測量Ia型超新星的信息提供了基準點。[圖片來源：B. J. Fulton, Las Cumbres Observatory Global Telescope Network]

這幅藝術(shù)圖展示了一個位于星系核心區(qū)的、正在吸積物質(zhì)的超大質(zhì)量黑洞。吸積活動較為活躍的超大質(zhì)量黑洞，吞噬物質(zhì)的速率也極大，使得周圍的物質(zhì)在從射電到X射線和伽馬射線波段的整個電磁光譜上都發(fā)出強烈的輻射。有時，黑洞附近的物質(zhì)發(fā)出的輻射實在太強，甚至掩蓋了整個星系的恒星所發(fā)出的光。結(jié)果，這些天體在天空中看上去就像一個點狀的光源，好像一顆恒星一樣，因此叫作“類星體”。當吸積物質(zhì)流通過一個“吸積盤”流向黑洞，它們就會由于摩擦而加熱，并且在可見光和紫外波段發(fā)出強烈的輻射，在圖中用紅色和黃色表示。吸積盤發(fā)出的光當中，有一部分會與盤面附近冕狀區(qū)域（圖中藍色）里的高能電子發(fā)生作用，從電子那里得到額外的能量而成為X射線。[圖片來源：ESA, C. Carreau]

法庫里說：“超新星為宇宙學研究提供了獨特的途徑，不過我們還需要多方面的技術(shù)，”包括使用統(tǒng)計方法揭示暗能量如何塑造宇宙的結(jié)構(gòu)?！按笞匀粸槲覀兊难芯刻峁┝撕芏鄺l彼此獨立的路徑，這是非常重要的?！?/p>

對天文學家來說，超新星像是稀世珍寶。奧德靈說，“超新星（讓我們）發(fā)現(xiàn)了暗能量，而且現(xiàn)在仍在為我們提供有關(guān)暗能量性質(zhì)的最清晰有力的信息?！?/p>

如果我們能有這樣一份樣本做參考——其中的每顆超新星都被精確地測量，而且樣本數(shù)量足夠大，使得每顆新發(fā)現(xiàn)的超新星都能在其中找到合適的配對——那么通過配對法，我們就能夠精確地測出暗能量過去100億年里對宇宙產(chǎn)生的影響。對我們來說，那些超新星所標記的時空中的點，就會成為宇宙演化史上一座座記錄詳細的里程碑。

讀到這個說超新星其實是潛在的“可標準化”燭光的新見解時，我正在準備北京大學的一門關(guān)于距離尺度的研究生課。這讓我可以向?qū)W生們展示，天文學當下的進展在對他們正在學的內(nèi)容產(chǎn)生即刻的影響——這也正是研究導向型教學的價值！大約在同時，我發(fā)現(xiàn)了另一項有趣的新進展，是關(guān)于直接測定河外距離尺度（extragalactic distance scale）的。它也將成為我今后某節(jié)課的主題。

這一進展是關(guān)于如何使用類星體來研究宇宙的歷史和組成的。類星體是由星系中心的超大質(zhì)量黑洞所驅(qū)動的強大輻射源。這項新技術(shù)主要基于類星體在X射線和紫外波段上光度之間的關(guān)系。為此，一隊意大利科學家大量使用了歐洲空間局XMM-牛頓望遠鏡的數(shù)據(jù)。XMM-牛頓望遠鏡原名“多鏡面X射線空間望遠鏡”（X-ray Multi-Mirror Mission，簡稱XMM），于1999年12月發(fā)射升空，是歐洲建造的最大的科學衛(wèi)星，也是迄今發(fā)射的最靈敏的X射線衛(wèi)星之一。它包括三架高通量X射線望遠鏡，由超過170個薄筒形鏡片組成。

在大多數(shù)大質(zhì)量星系的中心，都有一個超大質(zhì)量黑洞——它的質(zhì)量非常大，能夠?qū)⒏浇奈镔|(zhì)都吸引過來。這些黑洞的質(zhì)量從幾百萬到幾十億倍太陽質(zhì)量不等，但與恒星級別的黑洞不同，它們的密度并不很大，里面一般很“空”，只是捕捉偶爾來到星系中心附近的恒星和氣體云。不過在這些星系級黑洞中，也有很少一些非?；钴S，它們吞噬物質(zhì)的速率很大，使得周圍的物質(zhì)在從射電到X射線和伽馬射線波段的整條電磁波譜上都發(fā)出明亮的輻射。有時候，黑洞附近的物質(zhì)產(chǎn)生的輻射實在太強，星系中心很小區(qū)域的亮度遠遠超過了星系中所有恒星發(fā)出的光。這種天體在天空中就會呈現(xiàn)出點狀光源的特征，像顆恒星一樣，因此被叫作“類星體”。

通過研究類星體，科學家可以知道超大質(zhì)量黑洞所產(chǎn)生的極強引力場的性質(zhì)。另外，比較類星體和其他核心擁有黑洞的星系，還能揭示出星系在宇宙歷史上演化的有趣側(cè)面。不過，類星體的另外一面吸引了來自意大利佛羅倫薩阿爾切特利天文臺（Arcetri Astrophysical Observatory）兩位科學家的注意：他們意識到，類星體可以用來研究宇宙膨脹的歷史。

“宇宙膨脹的歷史中包含了宇宙的豐富信息，比如它的年齡和各種成分（如暗物質(zhì)與暗能量）的相對豐度。為了解釋宇宙的歷史，我們需要觀測到我們距離各不相同的天體。”這一研究的領(lǐng)頭人之一圭多?里薩里提（Guido Risaliti）解釋道，“但要在宇宙中確定距離可不容易，只有用某幾類特定天體才能夠做得比較好。我們的研究展示了類星體是如何做到這點的?！?/p>

要測量天體的距離，主要的障礙在于我們對它們真實的亮度并不了解。因此幾乎不可能正確判斷出一個天體究竟是它本身就很亮，還是只不過因為它離我們近所以才顯得很亮。對于銀河系中、離我們相對比較近的恒星來說，天文學家可以通過三角視差法精確地得出它們的距離，其原理是：隨著地球公轉(zhuǎn)時位置的移動，恒星在天空中的方位也會發(fā)生微小的周年運動。但是目標離我們越遠，它的周年視差就越小，因此這種方法僅限于我們附近的天體。對于更遠的距離，天文學家就要依賴“標準燭光”，或者至少是“可標準化燭光”，比如之前介紹的伯克利實驗室所用的Ia型超新星。

“Ia型超新星是宇宙學研究中強有力的工具。但在極為遙遠的距離上，我們就沒法觀測到它們了。因此，它們主要用來探測相對比較近的宇宙。”伊麗莎白?魯索（Elisabeta Lusso）說。

我們的宇宙現(xiàn)在已有140億歲，而在它50億歲之前的早期階段，很少有Ia型超新星被觀測到。

“這就是為什么我們要用類星體來完備Ia型超新星的數(shù)據(jù)。在遠得多的距離上，也還能觀測到大量的類星體。借助類星體，我們掌握的宇宙歷史可以上溯到宇宙只有10億歲的時候?！濒斔餮a充道。

要確定類星體離我們有多遠，里薩里提和魯索利用了類星體的一種有趣的性質(zhì)：它在紫外波段和X射線波段輻射量之間的關(guān)系。這一關(guān)系發(fā)現(xiàn)于20世紀70年代晚期。兩種輻射都源于黑洞的活動，但是引起它們的物理過程并不一樣：當吸積物質(zhì)流通過“吸積盤”流向黑洞時，這些物質(zhì)會因摩擦而加熱，并且在可見光和紫外波段發(fā)出明亮的光；而其中的一部分輻射會與附近的電子發(fā)生作用，獲得額外的能量而成為X射線。

本圖展示的是對遙遠天體的測量如何幫助科學家研究宇宙膨脹的歷史。橫坐標為紅移，縱坐標為距離模數(shù)。如果宇宙勻速膨脹，那么遙遠天體的數(shù)據(jù)點應(yīng)該在圖中沿一條對數(shù)曲線分布。[圖片來源：Risaliti & Lusso, Astrophysical Journal, Volume 815, 2015]

兩個波段輻射流量的關(guān)系能夠應(yīng)用在宇宙學上的關(guān)鍵在于：它并不是線性的。也就是說，一個類星體的X射線流量和紫外線流量之比并不是常數(shù)，而是由它在紫外波段的光度（絕對亮度）所決定。因此，只要測出一個類星體在兩個波段的輻射流量之比，科學家就能推算出它在紫外波段的光度，因而也就能確定它的距離了。

雖然這個關(guān)系背后的物理機制尚不清楚，但里薩里提和魯索仍然可以利用它來把類星體當作“標準燭光”，并在宇宙學研究中把它們用作距離精確的里程碑。為此，他們編訂了一份包含1138個類星體在紫外和X射線波段亮度數(shù)據(jù)的樣本。

“首先我們要確認，這個關(guān)系在宇宙的各個時期都是成立的。如果我們要用類星體來做宇宙學研究，這一點非常重要?！崩锼_里提解釋道。

然后，兩位科學家確定了這些樣本中類星體的距離，并且研究了在它們所覆蓋的宇宙歷史范圍里，宇宙的膨脹情況是如何變化的。

“用類星體測量距離不如用Ia型超新星來得精確，但它們提供了超新星方法所不能達到的遙遠宇宙的信息?！濒斔髡f。

將類星體與超新星的結(jié)果結(jié)合起來，就能夠覆蓋宇宙演化史上長達130億年的時間。要研究宇宙在它歷史的大部分時間里是如何演化的，類星體功不可沒。而且事實上，通過這兩類天體最新巡天數(shù)據(jù)的結(jié)合得出的暗物質(zhì)與暗能量相對豐度的信息，要比單純通過超新星得到的結(jié)果更精確。里薩里提和魯索開發(fā)的這個方法在未來處理巡天數(shù)據(jù)中將大有用武之地。有了大量的類星體樣本之后，得到的宇宙學參數(shù)誤差還可以更小。

看樣子，我們終于要找到一種方法，能夠精確地測量在宇宙很年輕的時候出現(xiàn)的天體的距離了，這真的是非常令人興奮的進展！

（責任編輯 馮）