自類星體發(fā)現(xiàn)半個多世紀(jì)以來，測量它們的宇宙學(xué)距離一直是天文學(xué)家面臨的重大難題。近日，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員王建民領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)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(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(xiàn)。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(jìn)的甚大望遠(yuǎn)鏡光干涉陣列（VLTI）上首次成功實現(xiàn)對第一顆類星體3C 273高達(dá)10微角秒空間分辨率的觀測。王建民團隊利用干涉數(shù)據(jù)，巧妙地結(jié)合中科院云南天文臺麗江2.4米望遠(yuǎn)鏡和美國Steward天文臺Bok 2.3米望遠(yuǎn)鏡長達(dá)10年的反響映射數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)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(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(xué)以高精度測量距離為觀測基礎(chǔ)。上世紀(jì)20年代，美國天文學(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。觀測宇宙學(xué)的核心之一就是測量距離-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，甚至能夠檢驗很多新物理的預(yù)言。在天文觀測中，遙遠(yuǎn)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(xué)家的最大難題。
　　傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)初期，距離測量主要基于美國天文學(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。因此通過測量造父變星的周期就可以計算絕對光度，進(jìn)而估計距離。這一方法具有強大的生命力，從100多年前到現(xiàn)在仍然是距離測量的主要工具之一。目前，天文學(xué)家觀測到的最遠(yuǎn)的造父變星距離地球為29 Mpc（約1億光年），更遠(yuǎn)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(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，為測量更遠(yuǎn)的距離打開了新的大門。超新星爆發(fā)時的光度很高，與整個星系相當(dāng)，使天文學(xué)家可以測量比造父變星更遠(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。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(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)化過程。
　　20世紀(jì)另一項重大突破性的發(fā)現(xiàn)是宇宙微波背景輻射，對它的測量使天文學(xué)進(jìn)入“精確宇宙學(xué)”時代。給定一個參數(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”。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(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)家對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量宇宙學(xué)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(xiàn)了高達(dá)10微角秒的空間分辨率，相當(dāng)于一臺口徑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，不斷刷新人類對宇宙的認(rèn)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(qū)角徑為46微角秒，是目前人類對活動星系核寬線區(qū)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(yuǎn)鏡對活動星系核的寬線區(qū)進(jìn)行長期的光譜監(jiān)測。通過測量發(fā)射線相對連續(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)和動力學(xué)狀態(tài)，測量中心黑洞的質(zhì)量，這一觀測技術(shù)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(zhì)，發(fā)現(xiàn)延遲縮短、黑洞飽和光度等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象獲得了美國斯隆巡天計劃觀測證實。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，為高精度測量黑洞質(zhì)量和宇宙學(xué)距離奠定了扎實基礎(chǔ)。
　　此外，該項研究還將GRAVITY/VLTI干涉與反響映射觀測聯(lián)合分析，實現(xiàn)了類星體距離的直接測量，為解決哈勃常數(shù)危機提供了新途徑。在GRAVITY團隊發(fā)布了類星體3C 273的干涉觀測結(jié)果后，王建民團隊敏銳地意識到兩套獨立觀測數(shù)據(jù)之間的互補性：GRAVITY觀測的是寬線區(qū)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Mpc，哈勃常數(shù)為km s-1 Mpc-1。僅僅借助單個類星體的觀測數(shù)據(jù)，哈勃常數(shù)測量的統(tǒng)計誤差僅有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量距離方法的極限。審稿人認(rèn)為這項工作是提高黑洞質(zhì)量和宇宙學(xué)距離測量精度的必經(jīng)方案，十分及時和令人激動，將深受學(xué)界歡迎。
　　目前，GRAVITY團隊和王建民團隊正在積極協(xié)同觀測，擴大樣本。根據(jù)GRAVITY現(xiàn)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(xié)同觀測目標(biāo)，在未來幾年內(nèi)有望將哈勃常數(shù)的測量精度提高到2%以上，為解決“哈勃常數(shù)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?qū)崿F(xiàn)對紅移高達(dá)z=3的類星體進(jìn)行距離測量，建立寬紅移范圍的距離-紅移關(guān)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(xué)模型。這將開拓人們對宇宙學(xué)、暗物質(zhì)和暗能量以及新物理的深刻認(rèn)識。
　　這項研究得到國家自然科學(xué)基金委重大項目、科技部重點專項、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃和B類先導(dǎo)專項的支持。
　　圖(a)為歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡的照片；圖(b)為云南天文臺麗江2.4米望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡照片
　　圖(a)為反響映射觀測得到的連續(xù)譜、發(fā)射線光變曲線及其擬合結(jié)果；圖(b)為GRAVITY觀測得到的發(fā)射線輪廓、較差相位曲線及其擬合結(jié)果；圖(c)為擬合得到的3C 273距離、寬線區(qū)半徑和黑洞質(zhì)量的概率分布。圖片由王建民團隊提供