作者:李林林 沈世銀(中國科學院上海天文臺)

文章來源於科學大院公眾號(ID:kexuedayuan)

銀河是夜空中最壯美的景觀。在銀河繁星中,存在一些肉眼可見的“黑色星雲”(圖1)。這些“黑雲”由恒星之外的中性氣體和固體顆粒所構成,是新一代恒星的誕生地。這些固體顆粒被通稱為星際塵埃。星際塵埃如何分佈在銀河系中?分佈范圍有多廣?當前無法跳出銀河系的人類如何來解決這一難題?

上海天文臺的科研人員基於中國大科學工程郭守敬望遠鏡(LAMOST)的銀河系恒星光譜巡天數據,為這個難題的答案獻上瞭一塊重要的拼圖。讓我們一窺究竟。

圖1 夜空中的銀河,其中的“黑色星雲”即為星際塵埃所在。圖片來源:網絡

星際塵埃是什麼

星際塵埃指分佈在星際氣體中的固態小顆粒,可能由矽酸鹽、水和甲烷等冰狀物組成。大傢都聽說過的PM2.5指尺寸小於2.5微米的固態小顆粒。而星際塵埃的固態顆粒尺寸大約在0.1微米,因此可以稱它們為PM零點幾。

星際塵埃主要產生於恒星演化的後期階段,伴隨著吹出的星風或超新星爆炸,恒星一輩子積攢的金屬(天文學中指質子數大於氫和氦的元素)拋灑回星際空間。星際塵埃吸收紫外和可見光波段的能量(形成黑雲),並在紅外波段發射。塵埃不僅有利於星際中的氣體冷卻以形成下一代恒星,更可以說是行星以及生命形成的基礎“磚塊”。雖然星際塵埃占據星系總質量的比例一般還不到千分之一,但是其在星系、恒星以及行星系統的形成和演化當中都起著關鍵性作用。

塵埃在星系中的空間分佈情況可以提供星系結構和演化的重要信息。通過對河外星系的觀測發現,塵埃在和銀河系相似的盤狀星系中大量存在,而且同樣形成一個顯著的盤狀結構。一般來說,相比於恒星構成的盤來說,塵埃盤顯得在徑向上更延展、在厚度上更薄。圖2中給出的是著名的草帽星系(M104)的圖像,可以清晰的看出上述特征。所有近距離的河外盤狀星系,如果從側向觀察幾乎都具有M104這樣的美麗構型,那麼一個直接的問題就是同樣作為盤狀星系的銀河系是具有這樣的特征?或者說作為人類以及太陽系的傢園,銀河系中的塵埃構型會具有某種特殊性呢?

圖2 哈勃太空望遠鏡拍攝的“草帽星系”(M104)。圖片來源:NASA

銀河系中的塵埃分佈有瞭答案

一般認為,銀河系的銀盤由兩種成分所構成,一個是年輕的薄盤,一個是年老的厚盤。銀河系中大部分的恒星處於薄盤上,我們肉眼所見的銀河也主要是薄盤成分。圖3中給出瞭該研究工作得到的銀河系的塵埃盤和恒星薄盤的空間分佈對比示意圖。該圖顯示的是塵埃盤和恒星盤在側向上的效果,其中黑色區域為塵埃,白色區域為恒星薄盤。該圖中,在徑向上,太陽距銀河系中心約27000光年;垂向上,太陽基本處於盤的中心面上,僅在盤的上方約76光年處。

圖3:銀河系的塵埃盤和恒星薄盤構型的示意圖,其中白色區域為恒星,黑色區域為塵埃盤。圖片來源:上海天文臺

與可直接觀測整體結構的河外星系不同的是,由於身處銀河當中,雖然銀河系中的塵埃幾乎是肉眼“可見”,但卻很難一窺其整體結構的真面目。最近,上海天文臺的一組科研人員利用郭守敬望遠鏡銀河系巡天得到的海量恒星光譜數據對銀河系中塵埃成分的結構進行瞭精確的測量,並給出瞭目前為止最為精確的銀河系塵埃整體分佈的尺度。目前該工作已被天文學國際核心期刊《天體物理雜志》(ApJ)所正式接收。

圖4 郭守敬望遠鏡全景。圖片來源:網絡

在郭守敬望遠鏡開始對銀河系中的恒星進行巡天觀測後,原北京大學劉曉為教授領導的一個研究團組對郭守敬望遠鏡巡天給出的恒星光譜進行瞭細致分析,並給出瞭巡天數據中每一顆恒星在視線方向上由於塵埃所造成的消光數值。具體來說,研究人員首先利用每顆恒星的光譜中不受塵埃消光影響的特征來推斷恒星的內稟物理性質;在此基礎上,再將觀測到的恒星的顏色和其內稟顏色進行比較,即可測量在視線方向上到每顆恒星由於星際塵埃所造成的消光和紅化。

上海天文臺星團和銀河系結構課題組博士研究生李林林在導師沈世銀研究員的指導下,利用這些海量的(超過六百萬顆)恒星消光數據,對銀河系中塵埃的整體空間分佈進行瞭模型構建。這項研究的關鍵點在於需要將測量到的從太陽出發到恒星的消光數據裝換為以銀河系中心為原點的坐標系中的塵埃的分佈。這樣的轉換顯然與太陽在銀河系中的位置密切相關。

研究表明,在扣除太陽附近的兩個較為顯著的子結構後,銀河系中塵埃的整體分佈可以用一個密度在徑向和垂向上都呈指數下降的盤狀結構來很好地描述。這個塵埃構成的盤的標長達1萬光年,而標高僅為330光年。和同樣基於郭守敬望遠鏡巡天數據得到的銀河系的恒星薄盤的結構參數相比,銀河系的塵埃盤和恒星盤基本上是共面的,但是在徑向尺度上更延展,在垂向上更薄。也就是說,如果離銀河系足夠遠,在特定的角度上,我們看到的銀河系將和草帽星系非常相似。

中科院上海天文臺副臺長,該研究工作的第三作者,侯金良研究員這樣評價:該研究工作在對銀河系塵埃整體分佈的測量上,其達到的精度上是前所未有的,這很大程度上歸因於郭守敬望遠鏡所提供的海量數據。科學上來說,該研究工作詳細的對比瞭銀河系中塵埃和其它成分(如氣體、恒星)空間分佈的異同,這對研究銀河系中的恒星形成和演化過程具有重要的參考價值。從結果上看,銀河系的塵埃分佈和其它河外盤狀星系非常相似,這進一步說明我們所處的銀河系是一個非常典型的盤狀星系,在宇宙中不具有任何的特殊性。

附:銀河系中的塵埃分佈是延展的,沒有一個明顯的邊界。標高和標長是尺度分佈的一種數學描述,表示的是每經過一個標長或者標高,塵埃的密度下降約2.72倍。