3月14日，《科学》以封面文章形式发表了德国马克斯·普朗克研究所的中国博士生张翔宇与其导师Gregory Green合作完成的一项科研成果。
结合中国科学院国家天文台郭守敬望远镜（LAMOST）的数据与欧洲航天局盖亚卫星的数据，研究人员训练模型并构建了世界上(shàng)首(shǒu)个(gè)亿(yì)级(jí)恒(héng)星(xīng)消(xiāo)光(guāng)数(shù)据(jù)库(kù)，发(fā)布(bù)了(le)首(shǒu)幅(fú)覆(fù)盖(gài)全天(tiān)的(de)银(yín)河(hé)系(xì)三(sān)维(wéi)尘(chén)埃(āi)消(xiāo)光(guāng)特(tè)性(xìng)图(tú)。这(zhè)项(xiàng)研(yán)究(jiū)实(shí)现(xiàn)了(le)银(yín)河(hé)系(xì)三(sān)维(wéi)尘(chén)埃(āi)分(fēn)布(bù)与(yǔ)消(xiāo)光(guāng)曲(qū)线(xiàn)的(de)同(tóng)步(bù)测(cè)绘(huì)，为(wèi)天(tiān)文观(guān)测(cè)提(tí)供(gōng)了(le)重要参考。
研究人员表示，新观测的消光分布特征挑战了传统的尘埃演化理论，或许(xǔ)暗(àn)示(shì)着(zhe)星(xīng)际(jì)有机物的某种“生长”机制。
星际尘埃示意图。图片来源： OPENVERSE
“消光”误差难解
光学天文设备是天文学家探索宇宙的重要工具。通过(guò)使(shǐ)用(yòng)光(guāng)学(xué)望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)等(děng)设(shè)备(bèi)，天(tiān)文学(xué)家(jiā)能(néng)够(gòu)捕(bǔ)捉(zhuō)来(lái)自(zì)遥(yáo)远(yuǎn)天(tiān)体(tǐ)的(de)光(guāng)，从(cóng)而(ér)获(huò)取(qǔ)关于(yú)这(zhè)些(xiē)天(tiān)体(tǐ)的(de)各(gè)种(zhǒng)数(shù)据(jù)，包(bāo)括(kuò)位(wèi)置和运动、温度和亮度、化学组成以及结构等。
但是，星际介质的存在会影响这些数据的准确性，就像隔着一层纱看风景，人们接收到的光信息与天体的真实情况始终存在偏差。星际介质是存在于恒星之间的物质和能量(liàng)的(de)统(tǒng)称(chēng)，大(dà)部(bù)分(fēn)比(bǐ)氢(qīng)和(hé)氦(hài)更(gèng)重(zhòng)的(de)元(yuán)素(sù)都(dōu)以(yǐ)固(gù)体(tǐ)小(xiǎo)颗(kē)粒(lì)——尘(chén)埃(āi)的(de)形(xíng)式(shì)存(cún)在(zài)。
这(zhè)些(xiē)尘(chén)埃(āi)吸(xī)收(shōu)并(bìng)散(sàn)射(shè)星(xīng)光(guāng)，使(shǐ)星(xīng)星(xīng)看(kàn)起(qǐ)来(lái)更(gèng)暗(àn)、更(gèng)红(hóng)，这(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象(xiàng)被(bèi)称(chēng)为(wèi)“消(xiāo)光(guāng)效(xiào)应”。张翔宇告诉《中国科学报》，进行天文观测时通常需要矫正消光效应，通过反推(tuī)获得天体的实际情况。
不同波长的光的消光效果不同，通常蓝光的消光高于红光。消光随光的波长变化的特征被称为“消光曲线”。“‘消光曲线’是精确天文观测的必需品，也是研究尘埃的尺寸、成分等理化性质和星际介质环境的(de)关键观(guān)测(cè)量。”张翔宇表示。
然而，多年来，传统的尘埃研究面临两难困境。一方面，高精度光谱巡天数据往往不能覆盖(gài)全天，难以将尘埃纳入银河系演化的框架来考虑；另一方面，依靠测光的全天观测，又很难捕捉消光曲线的变化。这让天文学家有时只能通过“全银河系的尘埃消光曲线都相同”的假设开展研究，给宇宙学、系外行星等研究埋下系统性误差的隐患。
得益于“光谱之王”的独特优势
为了消除上述假设埋的“雷”，科学家的新办法是在尽可能大的恒星样本量中获得更丰富的数据集，用于训练和验证模型，从而提高模型预测的准确性和可靠性。这样一来，即使观测条件不佳或难以直接测量的恒星，也能根据已有模式推算出较为准确的消光曲线。
在这项研究中，研究(jiū)人(rén)员将被誉为“光谱之王”的LAMOST测定的精确恒星参数，与盖亚卫星低分辨率光谱巡天数据联系起来，最终实现了对1.3亿(yì)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、深度可达16308光年左右的银河系三维尘埃消光特性图。
这一里程碑式成果的取得，得益于LAMOST的独特优势。张翔宇表示，LAMOST的大视场多目标光谱获取能力，使研究者获得了大量银盘内处于中、高消光区的恒星的准确参数。同时，LAMOST的观测数据广泛覆盖了多种恒星类型，使得依托LAMOST数据训练的模型可以应用于1亿多颗拥有低分辨率(lǜ)光(guāng)谱的恒星，极大拓展了尘埃图的广度和深度。
据了解，这项突破性成果将目前已测量的银河系恒星视线数提高了两个数量级，建成了迄今世界上第一个“亿级恒星消光数据库”，第一次实现了全天的银河系三维尘埃分布与消光曲线的同步测绘。
拨开星际介质“迷雾”
星际介质是银河系中物质循环的重要一环，也是太阳等恒星的诞生地。
科研人员介绍，该研究创建的三维尘埃立体图覆盖了巨大空间尺度，将尘埃理化性质纳入银河系演化的大框架，揭示了尘埃性质与恒星形成、银河系结构的紧密关联。银河系中恒星形成区的消光曲线更加平坦，揭示了该区域尘埃颗粒生长、聚合而形成更大尘埃的过程，而银河系中心方向的消光曲线更加陡峭，显示该区域可能存在的特殊物理、化学环境致使尘埃颗粒普遍较小。
传统理论认为，越靠近尘埃云中心区域，尘埃密度越高，尘埃颗粒会由于吸积和聚合等机制“长大”，导致尘埃的消光效应逐渐与波长无关，消光曲线也越来越平坦。
利用银河系三维尘埃分布与消光曲线，他们却发现了截然不同的现象：在部分尘埃云附近，尘埃密度越高，消光曲线反而越陡峭——蓝光被吸收、散射得比红光更多。
“这挑战了基于传统理论的认知。”对此，张翔宇认为，这或许暗示了一种星际有机物——稠环芳香烃的某种“生长”机制。
在相关专家看来，新发布的三维尘埃消光特性图打开了一扇全新的研究尘埃与银河系的窗口，既为天文观测提供了重要参考，也为天体化(huà)学(xué)、恒(héng)星(xīng)形(xíng)成(chéng)和(hé)银(yín)河(hé)系(xì)碳(tàn)循(xún)环(huán)、生(shēng)命(mìng)起(qǐ)源(yuán)等问题的研究提供了全新视角。
相关论文信息：http://doi.org/10.1126/science.ado9787
（原标题为《首幅银河系全天三维尘埃消光特性图发布》）