耀眼明亮的黑洞可以帮助宇宙学家更深入地了解宇宙的过去

天文学家热衷于解决宇宙中一些最基本的谜团，他们将目光投向了一个新的目标：类星体，这种物质风暴围绕着巨大的黑洞剧烈旋转，用其明亮的光线刺穿宇宙。

这些尚未得到充分了解的星系核几乎比宇宙中所有其他物体都更明亮。它们可以在难以想象的距离外被看到，可能正是研究人员了解整个宇宙某些特征（包括其膨胀）所需要的东西。早期利用这些强大聚光灯的尝试一直充满不确定性，但一项新的分析发现，这些物体的亮度可能足以让研究人员利用它们填补宇宙历史上一个巨大的空白。

意大利米兰国家天体物理研究所的天体物理学家苏珊娜·比索尼 (Susanna Bisogni) 表示：“差距非常大。类星体有可能跨越这个范围。”

特殊超新星照亮不断膨胀的宇宙

近几十年来，测量巨大距离的黄金标准一直是恒星爆炸的一种：1a 型超新星。这些超新星通常以相同的亮度爆炸，因此天文学家知道更明亮的超新星一定离我们更近，而更暗的超新星一定离我们更远。这些所谓的“标准烛光”揭示了宇宙正在越来越快地膨胀，这意味着一种神秘的“暗能量”正在驱使星系分离。

但随着天文学家深入黑暗，单个恒星，甚至是爆炸的恒星，最终都会逐渐消亡。使用目前的望远镜，研究人员无法看到 90 亿至 100 亿年前的 1a 型超新星（因为光需要数十亿年才能到达地球，因此观察太空也意味着回顾过去。）没有任何可见的超新星，宇宙学家（专门研究整个宇宙演化的研究人员）对于宇宙最初 40 亿年发生的事情基本上一无所知。

新的标准烛光

这就是类星体出现的地方。超大质量黑洞将气体拖向自身，其强度之大使得物质变得白热，光芒盖过周围的整个星系。

由于天文学家可以在宇宙诞生后的最初十亿年内辨别出类星体的光芒，这些天体能否充当更明亮、更具穿透力的标准烛光？

一些天文学家认为，类星体可以做到这一点，这要归功于一个关键特性。类星体会发出紫外线，其中一些紫外线会撞击周围的热电子云，释放出能量更高的 X 射线。由于紫外线以可预测的方式产生 X 射线，因此无论星系距离多远，类星体的 X 射线亮度都与其紫外线亮度固定相关。通过将紫外线和 X 射线发射与类星体整体的亮度或暗度进行比较，天文学家可以将其用作宇宙里程标记。

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或者至少这是理论。它似乎适用于许多相对较近的类星体，但这些物体如何发射紫外线和 X 射线的许多细节仍不清楚。一些研究人员质疑早期宇宙中的类星体是否与现在的行为方式相同。

为了找到答案，一组意大利天文学家仔细研究了遗留的观测数据，并追溯了更久远的过去。他们利用斯隆数字巡天的数据寻找在紫外线下发光的类星体，利用钱德拉 X 射线天文台的数据寻找在 X 射线下发光的类星体，并对这两组类星体进行了比较。他们发现，这两种辐射之间的关系一直延续到大爆炸后大约 13 亿年。换句话说，类星体在整个宇宙历史中都稳定地燃烧着，就像标准烛光一样。

“这项检查对于我们能否使用这种方法测量距离是必要的，并且可以确保我们使用的工具不会随着时间而改变，”比索尼说。

该团队于 9 月 7 日发表了其研究成果的预印本，并已被《天文学与天体物理学》杂志接受。

初探古代历史

天文学家怀疑，他们发现的古老类星体已经暗示，理论家对宇宙的描述可能需要进行重大修改。当他们计算 2019 年最古老类星体的距离时，他们的结果与宇宙学的领先“标准模型”相冲突，其中一个可能具有突破性的解释是暗能量会随着时间的推移而发生变化。“我们认为这是真实的，”类星体团队的天体物理学家 Francesca Civano 说，她在哈佛大学和史密森尼学会联合运营的天体物理中心工作。“差异相当显著。”

然而，大胆的主张需要确凿的证据，宇宙学家需要更令人信服的证据。杜克大学的宇宙学家丹·斯科尔尼克 (Dan Scolnic) 使用 1a 型超新星对宇宙的膨胀进行精确测量，他没有参与类星体研究，他称赞该小组是“了解类星体物理的顶尖团队之一”，并表示他们正在“采取正确的步骤”来测试类星体作为标准烛光的潜力。

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然而，他并不认为目前的类星体观测技术足够成熟，可以取代超新星，天文学家对超新星位置的定位比对类星体的定位准确五倍。意大利天文学家的最新研究通过分析大量大到足以轻松通过统计测试的类星体，克服了这一缺陷。但斯科尔尼克担心，不同类型的类星体可能隐藏在相对嘈杂的数据中。

“让我有点紧张的是，当你的个别测量结果不够精确时，”他说，“你不得不怀疑这些数据中隐藏着什么系统性的不确定性。”

未来几年，情况将变得更加明朗。最近发射的名为 eROSITA 的 X 射线太空望远镜预计将发现数百万个附近的类星体，这可以验证它们作为更易于理解的局部宇宙中标准烛光的实用性，而进一步的调查可能会在笼罩的古老宇宙中发现更多此类物体。

“宇宙学家需要认真对待类星体在宇宙学测量中的应用，”西瓦诺说。“它们是非常好的资源。”