宇宙的新量天尺，黑洞自己虽然黑，却能让我们看清宇宙

当你走在街上，看着马路的尽头时，你知道哪一个物体离你比较近。这是因为，周围的3D图像和物体的形状，都能够帮你在大脑中建立一个完整的图像，让你做距离的区分。

不过，当你抬起头看着夜空中的满天星斗时，你只能看见无数个发光的星点，却不知道哪颗星星离我们近一点，哪一颗离得远一点。你甚至可能都不知道，我们最熟悉的北斗七星，其实彼此之间距离非常遥远，有的距离我们只有70几光年，而有的却在100光年以外。而至于我们绘制成一张平面图的星座里，星星的距离差别就更加惊人了。

这是因为，由于它们都只是一个光点，漆黑的夜空又没有其他参考，所以我们对于它们的距离根本无从判断。

不过，到了今天，科学家们已经找到了很多的方法来探测这些天体的距离。我们曾经介绍过，宇宙中的造父变星、Ia型超新星等等天体，都是宇宙中的天体测量工具，通过它们的光度，科学家就能够精确地计算出它们的距离，并且反映出它们周围天体和我们的距离。

伊利诺伊大学香槟分校的天文学家Yue Shen介绍说：“在天文学上，测量天体距离是一个最基本的挑战。所以，如果兜里能多装一个锦囊，绝对是值得兴奋的一件事。”

但是，就目前而言，科学家“兜里的锦囊”仍然比较有限，很多天体的距离都没有完全确定。比如我们熟知的参宿四，在历史上就有过很多不同的距离数据，这就是受我们目前的科学水平限制而导致的。因此，他们也一直在寻找新的方法，来更好地确定天体距离，从而绘制更加精确的银河系和宇宙地图。

最近，科学家们又在宇宙中找到了一种新的量天尺，或将成为未来人类测量天体距离的重要工具。有趣的是，这种工具正是我们所说完全看不见的天体——黑洞。具体来说，是宇宙中的超大质量黑洞的回声。

那么问题来了，黑洞自己都不能被我们看见，在任何电磁波下都是无法直接观测的，它怎么反而能让其他天体的信息展现在我们面前呢？

我们知道，银河系中的黑洞其实非常多，虽然我们发现的黑洞数量并不多，但科学家估计，银河系中的黑洞总数可能达到10亿个。不过，在银河系中还有一个黑洞更加与众不同，那就是银河系中心的超大质量黑洞——人马座A*。

当然，即使它的质量达到太阳的400万倍，但它本身仍然是不可见的。不过，当被它吞噬的物质像水槽里的水一样加速旋转着下落到它的视界范围内的过程中，会形成一个巨大的吸积盘。吸积盘内的物质因为摩擦产生的能量而发光，这就可以让我们对这个巨大的黑洞进行观测。

在吸积盘以外，还有一个巨大的尘埃云，被称为环状圆盘（torus），造型就像是一个甜甜圈。正是这个外环，是科学家新开发的探测天体距离的技术关键。这个技术，被称为回音绘制，又叫反射绘制。

在活跃的超大质量黑洞周围，每过一段时间，吸积盘中最靠近黑洞的区域就会在可见光和紫外线波段发射出明亮的光芒。当这些光传播到外环的时候，就会产生一种“回音”。具体来说：当这些电磁波被吸收之后，尘埃云会因此而被加热，最终再以红外辐射的方式被我们观测到。

对于超大质量黑洞来说，吸积盘的尺寸也是极其惊人的。对于这些黑洞来说，光线可能要花几年的时间才能传播到外环，然后转化为红外线重新发射出去。在宇宙中，光速是不变的，所以只要计算耀斑和反射波之间的时间差，我们就能够轻松计算出吸积盘的内边缘和外环之间的距离。

我们刚才提到，吸积盘的发光是因为被吞噬物质的摩擦，这种摩擦也会导致吸积盘的温度极高，并且越靠近黑洞的位置温度越高，反之，越远的地方温度也越低。研究结果表明，当温度低于1200摄氏度（2200华氏度）时，就会形成尘埃云。也就是说，外环和吸积盘内环的距离，和吸积盘的温度是成正比的。

因此，只要知道了距离，就能计算出它的温度。如果我们知道了温度，那就能够计算出这个区域发出了多少光。这就是半径和光度之间的关系，简称R-L关系。在知道了光度之后，天体的距离就可以计算出来了。

当然了，说起来简单，观测起来却没那么容易。科学家需要对一个黑洞进行很长时间的观测，才能够探测到它的可见光和紫外波段耀斑以及红外线回音。

为此，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Qian Yang领导的科学家团队，在对最近20年内地基光学望远镜收集到的黑洞耀斑数据进行梳理和分析，并且又研究了NASA广域红外探测器在2010-2019年所收集到的数据来寻找耀斑，最终才有所收获。最终，他们一共确定了587同时拥有可见光波段的耀斑和中红外回音的超大质量黑洞，这也是迄今为止最完整的一次相关调查和统计。

需要说明的是，广域红外探测器并没有覆盖所有红外波段，因此这对于距离的计算会有较大的影响。但是，凭借着这些数据，他们还是能够证明R-L关系是相对可靠的一种工具。目前来说，他们仍然在进行着完善性的工作。

不管怎么说，他们对于自己的这次研究还是非常有信心的。Yang说：“回音绘制的好处就在于，超大质量黑洞是不会很快消失的。因此，我们可以反复对同一个系统的尘埃回音进行探测，改善对距离的测量。”

宇宙如此浩大，那些星系动辄几亿甚至几十亿光年，这给我们对它们距离的探测带来了许多困难，也阻碍了我们对宇宙的理解。如果我们找到精确的工具确定它们的距离，相信对于人类的天文学发展将会大有裨益。