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。
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
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。
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。
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。
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)