3月14日，《科學(xué)》以封面文章形式發(fā)表了德國(guó)馬克斯·普朗克研究所的中國(guó)博士生張翔宇與其導(dǎo)師Gregory Green合作完成的一項(xiàng)科研成果。

結(jié)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的數(shù)據(jù)與歐洲航天局蓋亞衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，研究人員訓(xùn)練模型并構(gòu)建了世界上首個(gè)億級(jí)恒星消光數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)布了首幅覆蓋全天的銀河系三維塵埃消光特性圖。這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測(cè)繪，為天文觀測(cè)提供了重要參考。

研究人員表示，新觀測(cè)的消光分布特征挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的塵埃演化理論，或許暗示著星際有機(jī)物的某種“生長(zhǎng)”機(jī)制。

星際塵埃示意圖。圖片來源： OPENVERSE

“消光”誤差難解

光學(xué)天文設(shè)備是天文學(xué)家探索宇宙的重要工具。通過使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備，天文學(xué)家能夠捕捉來自遙遠(yuǎn)天體的光，從而獲取關(guān)于這些天體的各種數(shù)據(jù)，包括位置和運(yùn)動(dòng)、溫度和亮度、化學(xué)組成以及結(jié)構(gòu)等。

但是，星際介質(zhì)的存在會(huì)影響這些數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就像隔著一層紗看風(fēng)景，人們接收到的光信息與天體的真實(shí)情況始終存在偏差。星際介質(zhì)是存在于恒星之間的物質(zhì)和能量的統(tǒng)稱，大部分比氫和氦更重的元素都以固體小顆?！獕m埃的形式存在。

這些塵埃吸收并散射星光，使星星看起來更暗、更紅，這種現(xiàn)象被稱為“消光效應(yīng)”。張翔宇告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，進(jìn)行天文觀測(cè)時(shí)通常需要矯正消光效應(yīng)，通過反推獲得天體的實(shí)際情況。

不同波長(zhǎng)的光的消光效果不同，通常藍(lán)光的消光高于紅光。消光隨光的波長(zhǎng)變化的特征被稱為“消光曲線”?！啊馇€’是精確天文觀測(cè)的必需品，也是研究塵埃的尺寸、成分等理化性質(zhì)和星際介質(zhì)環(huán)境的關(guān)鍵觀測(cè)量?！睆埾栌畋硎?。

然而，多年來，傳統(tǒng)的塵埃研究面臨兩難困境。一方面，高精度光譜巡天數(shù)據(jù)往往不能覆蓋全天，難以將塵埃納入銀河系演化的框架來考慮；另一方面，依靠測(cè)光的全天觀測(cè)，又很難捕捉消光曲線的變化。這讓天文學(xué)家有時(shí)只能通過“全銀河系的塵埃消光曲線都相同”的假設(shè)開展研究，給宇宙學(xué)、系外行星等研究埋下系統(tǒng)性誤差的隱患。

得益于“光譜之王”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

為了消除上述假設(shè)埋的“雷”，科學(xué)家的新辦法是在盡可能大的恒星樣本量中獲得更豐富的數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練和驗(yàn)證模型，從而提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。這樣一來，即使觀測(cè)條件不佳或難以直接測(cè)量的恒星，也能根據(jù)已有模式推算出較為準(zhǔn)確的消光曲線。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將被譽(yù)為“光譜之王”的LAMOST測(cè)定的精確恒星參數(shù)，與蓋亞衛(wèi)星低分辨率光譜巡天數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)1.3億顆恒星消光曲線和恒星參數(shù)的同時(shí)反推，構(gòu)建出首幅覆蓋全天的、深度可達(dá)16308光年左右的銀河系三維塵埃消光特性圖。

這一里程碑式成果的取得，得益于LAMOST的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。張翔宇表示，LAMOST的大視場(chǎng)多目標(biāo)光譜獲取能力，使研究者獲得了大量銀盤內(nèi)處于中、高消光區(qū)的恒星的準(zhǔn)確參數(shù)。同時(shí)，LAMOST的觀測(cè)數(shù)據(jù)廣泛覆蓋了多種恒星類型，使得依托LAMOST數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型可以應(yīng)用于1億多顆擁有低分辨率光譜的恒星，極大拓展了塵埃圖的廣度和深度。

據(jù)了解，這項(xiàng)突破性成果將目前已測(cè)量的銀河系恒星視線數(shù)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，建成了迄今世界上第一個(gè)“億級(jí)恒星消光數(shù)據(jù)庫(kù)”，第一次實(shí)現(xiàn)了全天的銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測(cè)繪。

撥開星際介質(zhì)“迷霧”

星際介質(zhì)是銀河系中物質(zhì)循環(huán)的重要一環(huán)，也是太陽等恒星的誕生地。

科研人員介紹，該研究創(chuàng)建的三維塵埃立體圖覆蓋了巨大空間尺度，將塵埃理化性質(zhì)納入銀河系演化的大框架，揭示了塵埃性質(zhì)與恒星形成、銀河系結(jié)構(gòu)的緊密關(guān)聯(lián)。銀河系中恒星形成區(qū)的消光曲線更加平坦，揭示了該區(qū)域塵埃顆粒生長(zhǎng)、聚合而形成更大塵埃的過程，而銀河系中心方向的消光曲線更加陡峭，顯示該區(qū)域可能存在的特殊物理、化學(xué)環(huán)境致使塵埃顆粒普遍較小。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，越靠近塵埃云中心區(qū)域，塵埃密度越高，塵埃顆粒會(huì)由于吸積和聚合等機(jī)制“長(zhǎng)大”，導(dǎo)致塵埃的消光效應(yīng)逐漸與波長(zhǎng)無關(guān)，消光曲線也越來越平坦。

利用銀河系三維塵埃分布與消光曲線，他們卻發(fā)現(xiàn)了截然不同的現(xiàn)象：在部分塵埃云附近，塵埃密度越高，消光曲線反而越陡峭——藍(lán)光被吸收、散射得比紅光更多。

“這挑戰(zhàn)了基于傳統(tǒng)理論的認(rèn)知?！睂?duì)此，張翔宇認(rèn)為，這或許暗示了一種星際有機(jī)物——稠環(huán)芳香烴的某種“生長(zhǎng)”機(jī)制。

在相關(guān)專家看來，新發(fā)布的三維塵埃消光特性圖打開了一扇全新的研究塵埃與銀河系的窗口，既為天文觀測(cè)提供了重要參考，也為天體化學(xué)、恒星形成和銀河系碳循環(huán)、生命起源等問題的研究提供了全新視角。

相關(guān)論文信息：http://doi.org/10.1126/science.ado9787

（原標(biāo)題為《首幅銀河系全天三維塵埃消光特性圖發(fā)布》）