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天文學家首次實現類星體幾何距離測量
2020-01-14|文章来源:粒子天体物理中心 |【
 

  自类星体发现半个多世纪以来,测量它们的宇宙学距离一直是天文学家面临的重大难题。近日,澳客王建民研究员领导的团队发展了一种全新的几何测距方法,成功测量了类星体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,且只能通過幹涉突破瑞利極限得以實現。在過去的十年中,歐洲南方天文台付出了巨大的努力,在世界上最先進的甚大望遠鏡光幹涉陣列(VLTI)上首次成功實現對第一顆類星體3C 273高達10微角秒空间分辨率的观测。王建民团队利用干涉数据,巧妙地结合中國科學院云南天文台丽江2.4米望遠鏡和美國Steward天文台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、紅化以及標准化等改正,而且系統誤差可進行觀測檢驗,爲精確丈量宇宙幾何、研究宇宙膨脹速度和曆史開辟了一個新途徑。 

  宇宙學以高精度測量距離爲觀測基礎。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爲哈勃常數,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,它描述了宇宙膨脹曆史,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型超新星爲主。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爲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簣Dt化的影響。幸運的是,以著名的Chandrasekhar白矮星質量極限爲理論基礎,人們發現Ia超新星可以作爲標准燭光,爲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簣Dt化改正,此外還受限于Phillips關系的標准化過程。 

  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时代。给定一个参数化的宇宙学模型,就能由微波背景辐射的各向异性获得宇宙学参数,包括哈勃常数。然而,随着观测精度的提升,传统方法和微波背景辐射给出的哈勃常数之间出现了高達4.4σ的偏離。這稱爲哈勃常數危機。這一危機意味著要麽觀測存在未知因素的影響,要麽宇宙學的標准模型需要修改,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,也不依賴于標准宇宙學模型,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,也爲幾何方法高精度測量宇宙學距離提供了難得機遇。GRAVITY是歐洲南方天文台耗資近億歐元、曆時十年完成的終端儀器,裝配在VLTI上。它在近红外波段实现了高達10微角秒的空間分辨率,相當于一台口徑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的寬線區角徑爲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。更爲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,這一觀測技術被稱爲反響映射。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,爲高精度測量黑洞質量和宇宙學距離奠定了紮實基礎。 

  此外,本項研究還將GRAVITY/VLTI干涉与反响映射观测联合分析,实现了类星体距离的直接测量,爲解决哈勃常數危機提供了新途径。在GRAVITY團隊發布了類星體3C 273的幹涉觀測結果後,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的角距離爲,哈勃常數爲 。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。審稿人認爲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爲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,爲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的观测能力将大幅提高,届时将能够实现对红移高達z=3的類星體進行距離測量,建立寬紅移範圍的距離紅移關系,直接測量哈勃參量、研究宇宙的膨脹曆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)爲歐洲南方天文台甚大望遠鏡的照片; (b)爲雲南天文台麗江2.4米望遠鏡照片,由王建民团队提供;圖(c)爲美國Steward天文台Bok 2.3米望遠鏡照片

 

(a)爲反响映射观测得到的连续谱、发射线光变曲线及其拟合结果;圖(b)GRAVITY观测得到的发射线轮廓、较差相位曲线及其拟合结果;圖(c)爲拟合得到的3C 273距离、宽线区半径和黑洞质量的概率分布。圖片由王建民团队提供


 
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