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天文學家首次實現類星體幾何距離測量
2020-01-14|文章來源:粒子天體物理中心 |【
 

  自類星體發現半個多世紀以來,測量它們的宇宙學距離一直是天文學家面臨的重大難題。近日,中國科學院高能物理研究所王建民研究員領導的團隊發展了一種全新的幾何測距方法,成功測量了類星體3C 273的宇宙學距離。相關文章“A parallax distance to 3C 273 through spectroastrometry and reverberation mapping,于113日發表在《自然·天文》 (Nature Astronomy) 上。

  類星體幾何距離測量需要極高空間分辨率的觀測,且只能通過干涉突破瑞利極限得以實現。在過去的十年中,歐洲南方天文臺付出了巨大的努力,在世界上最先進的甚大望遠鏡光干涉陣列(VLTI)上首次成功實現對第一顆類星體3C 273高達10微角秒空間分辨率的觀測。王建民團隊利用干涉數據,巧妙地結合中國科學院云南天文臺麗江2.4米望遠鏡和美國Steward天文臺Bok 2.3米望遠鏡長達10年的反響映射數據,從而實現高精度測距。這種方法不依賴于任何已有的距離階梯,也不依賴于傳統工具必需的消光、紅化以及標準化等改正,而且系統誤差可進行觀測檢驗,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新途徑。 

  宇宙學以高精度測量距離為觀測基礎。上世紀20年代,美國天文學家E.Hubble(哈勃)發現宇宙正在膨脹: 大多數星系正在遠離我們而去,且退行速度(紅移)和星系的距離成正比。這一比例系數如今被稱為哈勃常數,它表征了宇宙當前的膨脹速度。觀測宇宙學的核心之一就是測量距離紅移關系,它描述了宇宙膨脹歷史,可直接回答關于宇宙年齡、幾何、組成成分等基本問題,甚至能夠檢驗很多新物理的預言。在天文觀測中,遙遠天體的紅移可以精確獲得,但距離的精確測量從來都是天文學家的最大難題。 

  傳統的距離測量工具以造父變星和Ia型超新星為主。在哈勃定律發現初期,距離測量主要基于美國天文學家H.S.Leavitt1912年發現的造父變星中的周光關系,即光變周期和光度成正比。因此通過測量造父變星的周期就可以計算絕對光度,進而估計距離。這一方法具有強大的生命力,從100多年前到現在仍然是距離測量的主要工具之一。目前,天文學家觀測到的最遠的造父變星距離地球為29Mpc(約1億光年),更遠的造父變星由于太暗而無法觀測,而且這一工具受到消光和紅化的影響。幸運的是,以著名的Chandrasekhar白矮星質量極限為理論基礎,人們發現Ia超新星可以作為標準燭光,為測量更遠的距離打開了新的大門。超新星爆發時的光度很高,與整個星系相當,使天文學家可以測量比造父變星更遠的距離。借助這一方法,S.Perlmutter, B.SchmidtA.Riess測量了高紅移超新星樣本,獲得了距離紅移關系,發現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獎。與造父變星測距類似,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關系的標準化過程。 

  20世紀另一項重大突破性的發現是宇宙微波背景輻射,對它的測量使天文學進入精確宇宙學時代。給定一個參數化的宇宙學模型,就能由微波背景輻射的各向異性獲得宇宙學參數,包括哈勃常數。然而,隨著觀測精度的提升,傳統方法和微波背景輻射給出的哈勃常數之間出現了高達4.4σ的偏離。這稱為哈勃常數危機。這一危機意味著要么觀測存在未知因素的影響,要么宇宙學的標準模型需要修改,新物理很有可能蘊藏其中。在這樣一個十字路口,天文學家對高精度新工具的需求日益緊迫。新工具應該既不依賴于已有的距離階梯,也不依賴于標準宇宙學模型,還要有與已有測量可比擬的精度(2%左右)。 

  高空間分辨率是天文學家的永恒追求,也為幾何方法高精度測量宇宙學距離提供了難得機遇。GRAVITY是歐洲南方天文臺耗資近億歐元、歷時十年完成的終端儀器,裝配在VLTI上。它在近紅外波段實現了高達10微角秒的空間分辨率,相當于一臺口徑130米的望遠鏡。在2017年投入使用以來,已經在系外行星、銀心黑洞、微引力透鏡等領域得到大量全新的結果,不斷刷新人類對宇宙的認知。在2017年到2018年間,GRAVITY團隊成功測量了類星體3C 273的寬線區角徑為46微角秒,是目前人類對活動星系核寬線區所做的空間分辨率最高的觀測。與此同時,王建民團隊從2012年以來一直使用麗江的2.4米望遠鏡對活動星系核的寬線區進行長期的光譜監測。通過測量發射線相對連續譜光變之間的延遲,可直接獲得寬線區的物理尺度。更為細致的分析還可以獲得寬線區氣體幾何結構和動力學狀態,測量中心黑洞的質量,這一觀測技術被稱為反響映射。該團隊觀測到超愛丁頓吸積的活動星系核具有特殊性質,發現延遲縮短、黑洞飽和光度等現象。這些現象獲得了美國斯隆巡天計劃觀測證實。在近十年中,他們系統發展了各種必需的分析方法和軟件,為高精度測量黑洞質量和宇宙學距離奠定了扎實基礎。 

  此外,本項研究還將GRAVITY/VLTI干涉與反響映射觀測聯合分析,實現了類星體距離的直接測量,為解決哈勃常數危機提供了新途徑。在GRAVITY團隊發布了類星體3C 273的干涉觀測結果后,王建民團隊敏銳地意識到兩套獨立觀測數據之間的互補性:GRAVITY觀測的是寬線區的張角,而反響映射觀測的是物理尺寸。通過建模綜合分析,他們獲得了3C 273的角距離為,哈勃常數為 。僅僅借助單個類星體的觀測數據,哈勃常數測量的統計誤差僅有16%3C 273距離地球大約20億光年,遠遠超出利用造父變星測量距離方法的極限。審稿人認為這項工作是提高黑洞質量和宇宙學距離測量精度的必經方案,十分及時和令人激動,將深受學界歡迎。 

  目前,GRAVITY團隊和王建民團隊正在積極協同觀測,擴大樣本。根據GRAVITY現有的觀測能力,大約有50個活動星系核可以作為GRAVITY—反響映射協同觀測目標,在未來幾年內有望將哈勃常數的測量精度提高到2%以上,為解決哈勃常數危機提供獨立和精確的測量。而在未來的5年,下一代GRAVITY的觀測能力將大幅提高,屆時將能夠實現對紅移高達z=3的類星體進行距離測量,建立寬紅移范圍的距離紅移關系,直接測量哈勃參量、研究宇宙的膨脹歷史以及檢驗宇宙學模型。這將開拓我們對宇宙學、暗物質和暗能量以及新物理的深刻認識。 

  這項研究得到了國家自然科學基金委重大項目和科技部重點專項支持。 

 

(a)為歐洲南方天文臺甚大望遠鏡的照片; (b)為云南天文臺麗江2.4米望遠鏡照片,由王建民團隊提供;圖(c)為美國Steward天文臺Bok 2.3米望遠鏡照片

 

(a)為反響映射觀測得到的連續譜、發射線光變曲線及其擬合結果;圖(b)GRAVITY觀測得到的發射線輪廓、較差相位曲線及其擬合結果;圖(c)為擬合得到的3C 273距離、寬線區半徑和黑洞質量的概率分布。圖片由王建民團隊提供


 
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