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宇宙微小尘埃,上演银河新歌剧

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2025-03-14 19:04

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3月14日,首个三维尘埃消光特性图 (3D Dust Map with R(V) Variation) 登上《科学》 (Science) 封面。

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导读:

星际尘埃是弥漫在银河系中的固体小颗粒,其遮挡了平滑的星光带,吸收并散射背景光,导致遥远的恒星显得更暗淡、更红。
利用 1.3 亿颗恒星光谱,研究者绘制了这种尘埃消光特性的三维变化图,为天文观测提供了重要的修正参考。最新结果还挑战了传统的尘埃演化模型,并暗示着一种星际有机物在尘埃云中“生长”的可能性。

张翔宇 | 撰文

“见证微小的尘埃颗粒在银河宏大舞台上的协奏。”
3月14日,首个三维尘埃消光特性图 (3D Dust Map with R(V) Variation) [1] 登上《科学》 (Science) 封面,揭示了星际尘埃的消光性质在银河系和大、小麦哲伦云的复杂变化,为天文观测提供了重要的修正参考。

这项研究还揭示出星际尘埃和星系演化的紧密互动,挑战了对尘埃演化的传统认识,或许暗示着星际有机物的某种“生长”机制。

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1.令天文学家又爱又恨的尘埃 ‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

“天之苍苍,其正色邪?其远而无所至极邪?”两千多年前,庄子在《逍遥游》中提出苍穹之问。在天文学家看来,这句话用来形容星际尘埃再合适不过:遥远的星光经过尘埃的吸收和散射,看起来比实际更暗,仿佛蒙上了一层红色滤镜。天文学家将这种现象称为"消光效应" (Extinction)

消光效应并非均匀作用于所有波长的光。蓝光比红光更容易被尘埃散射和吸收,因此我们观测到的星光往往呈现偏红的色调。这种随光的波长变化的消光特征 (消光曲线,Extinction Curve) ,如同星际尘埃的"指纹",记录着尘埃颗粒的尺寸、成分,以及尘埃所在环境的温度、磁场等关键信息 [2 ]

一方面,尘埃固然增加了天文观测的复杂度,另一方面,尘埃也在星系的演化中扮演着重要作用。星际尘埃堪称宇宙的"建筑师"——在银河群星之间的星际介质 (Interstellar Medium) 中,大部分比氢和氦更重的元素都以尘埃的形式存在,尘埃是诸多化学反应的原材料和催化剂。另外,通过遮蔽致命的紫外辐射,尘埃还为复杂的星际分子提供屏障 (Sheilding) ,进而可能保护了生命形成的前序物质。

然而,传统的尘埃研究长期面临两难困境:高精度光谱巡天数据,虽能提供细致的数据,但往往不能覆盖全天,难以将尘埃纳入银河系演化的框架来考虑。而依靠测光的全天观测,虽然能获取大范围数据,却很难捕捉消光曲线的变化,这导致天文学家很多时候不得不假设“全银河的消光曲线形状都相同”,等于假设全银河的尘埃颗粒大小分布一致、化学成分相同。这种简化虽然便于研究,但可能引入系统性误差,给宇宙学、系外行星等研究埋下隐患。

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2.揭示尘埃消光曲线的三维空间变化

3月14日,《科学》 杂志发表的一项工作,为破解该局面提供了一个重要途径。

德国马克斯普朗克天文研究所 的博士生张翔宇和导师Gregory M. Green将“光谱之王”——中国科学院国家天文台郭守敬望远镜 (LAMOST) 测定的精确恒星参数 [3, 4 ] ,与欧洲航空局的盖亚 (Gaia) 卫星低分辨率光谱 (XP Spectra, R~ 50–160) 巡天 [5- 7 ] 联系起来。

利用LAMOST和Gaia共同观测到的两百万颗星,我们训练神经网络模型,进而实现了利用低分辨率光谱对1.3亿颗恒星消光曲线和恒星参数的同时反推,构建出首幅覆盖全天的三维消光曲线分布图,深度可达5 kpc (约16308光年)

图一:以太阳为中心,半径2.6 kpc (8481光年) 以内的银盘上尘埃消光性质的分布,由参数R(V)表示。R(V)越大,代表消光曲线越平坦,R(V)越小代表消光曲线越陡峭。紫色的点代表O类恒星 [8] ,该恒星的富集区标志着活跃的恒星形成区,在图上往往拥有比较平坦的消光曲线。

这项成果创造了两个"第一":

1.数据量级:将测量的视线数提升两个数量级,建成第一个亿星级的消光数据库;

2.空间解析:第一次实现覆盖全天的银河系三维尘埃分布(A (V) )与消光曲线(R (V) )的同步测绘。

这一里程碑式成果得益于LAMOST的独特优势:LAMOST的大视场多目标光谱获取能力,帮助我们获得了大量银盘内较高消光区的恒星的准确参数,LAMOST广泛覆盖了多种恒星,这使得从LAMOST数据训练出的模型可以被应用于超过1亿颗拥有GAIA XP光谱的恒星,极大地拓展了尘埃图的广度和深度。

这一结果还首次将尘埃性质纳入银河系演化的大框架,揭示尘埃性质与恒星形成、银河系结构演化的紧密关联。举例来说,恒星形成区的消光曲线更加平坦 (R(V)偏高) ,揭示出该区域尘埃颗粒的生长、聚合,而银河系中心方向的消光曲线却更加陡峭 (R(V)偏低) ,显示该区域可能存在的特殊物理、化学环境,有待进一步研究。

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3.挑战尘埃演化的传统认识

新发表的三维尘埃消光特性图极大地提升了角分辨率和距离分辨率,这使得对大量尘埃云的 “全景”研究成为可能。

传统观念认为,越靠近尘埃云中心的区域,尘埃密度的越高,尘埃颗粒会越“长”越大,其消光曲线也会越来越平坦。但这与我们观测到的结果不完全一致,甚至在部分区域截然相反 (图二)







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