3月14日，《科學》以封面文章形式發表了德國馬克斯·普朗克研究所的中國博士生張翔宇與其導師Gregory Green合作完成的一項科研成果。

結合中國科學院國家天文臺郭守敬望遠鏡（LAMOST）的數據與歐洲航天局蓋亞衛星的數據，研究人員訓練模型并構建了世界上首個億級恒星消光數據庫，發布了首幅覆蓋全天的銀河系三維塵埃消光特性圖。這項研究實現了銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測繪，為天文觀測提供了重要參考。

研究人員表示，新觀測的消光分布特征挑戰了傳統的塵埃演化理論，或許暗示著星際有機物的某種“生長”機制。

星際塵埃示意圖。圖片來源： OPENVERSE

“消光”誤差難解

光學天文設備是天文學家探索宇宙的重要工具。通過使用光學望遠鏡等設備，天文學家能夠捕捉來自遙遠天體的光，從而獲取關于這些天體的各種數據，包括位置和運動、溫度和亮度、化學組成以及結構等。

但是，星際介質的存在會影響這些數據的準確性，就像隔著一層紗看風景，人們接收到的光信息與天體的真實情況始終存在偏差。星際介質是存在于恒星之間的物質和能量的統稱，大部分比氫和氦更重的元素都以固體小顆粒——塵埃的形式存在。

這些塵埃吸收并散射星光，使星星看起來更暗、更紅，這種現象被稱為“消光效應”。張翔宇告訴《中國科學報》，進行天文觀測時通常需要矯正消光效應，通過反推獲得天體的實際情況。

不同波長的光的消光效果不同，通常藍光的消光高于紅光。消光隨光的波長變化的特征被稱為“消光曲線”。“‘消光曲線’是精確天文觀測的必需品，也是研究塵埃的尺寸、成分等理化性質和星際介質環境的關鍵觀測量。”張翔宇表示。

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

得益于“光譜之王”的獨特優勢

為了消除上述假設埋的“雷”，科學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據集，用于訓練和驗證模型，從而提高模型預測的準確性和可靠性。這樣一來，即使觀測條件不佳或難以直接測量的恒星，也能根據已有模式推算出較為準確的消光曲線。

在這項研究中，研究人員將被譽為“光譜之王”的LAMOST測定的精確恒星參數，與蓋亞衛星低分辨率光譜巡天數據聯系起來，最終實現了對1.3億顆恒星消光曲線和恒星參數的同時反推，構建出首幅覆蓋全天的、深度可達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的獨特優勢。張翔宇表示，LAMOST的大視場多目標光譜獲取能力，使研究者獲得了大量銀盤內處于中、高消光區的恒星的準確參數。同時，LAMOST的觀測數據廣泛覆蓋了多種恒星類型，使得依托LAMOST數據訓練的模型可以應用于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。

據了解，這項突破性成果將目前已測量的銀河系恒星視線數提高了兩個數量級，建成了迄今世界上第一個“億級恒星消光數據庫”，第一次實現了全天的銀河系三維塵埃分布與消光曲線的同步測繪。

撥開星際介質“迷霧”

星際介質是銀河系中物質循環的重要一環，也是太陽等恒星的誕生地。

科研人員介紹，該研究創建的三維塵埃立體圖覆蓋了巨大空間尺度，將塵埃理化性質納入銀河系演化的大框架，揭示了塵埃性質與恒星形成、銀河系結構的緊密關聯。銀河系中恒星形成區的消光曲線更加平坦，揭示了該區域塵埃顆粒生長、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，顯示該區域可能存在的特殊物理、化學環境致使塵埃顆粒普遍較小。

傳統理論認為，越靠近塵埃云中心區域，塵埃密度越高，塵埃顆粒會由于吸積和聚合等機制“長大”，導致塵埃的消光效應逐漸與波長無關，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，他們卻發現了截然不同的現象：在部分塵埃云附近，塵埃密度越高，消光曲線反而越陡峭——藍光被吸收、散射得比紅光更多。

“這挑戰了基于傳統理論的認知。”對此，張翔宇認為，這或許暗示了一種星際有機物——稠環芳香烴的某種“生長”機制。

在相關專家看來，新發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，既為天文觀測提供了重要參考，也為天體化學、恒星形成和銀河系碳循環、生命起源等問題的研究提供了全新視角。

相關論文信息：http://doi.org/10.1126/science.ado9787

（原標題為《首幅銀河系全天三維塵埃消光特性圖發布》）