星际尘埃是何方神圣？为何能刷新人们对银河系的认识？
2018/7/25 8:44:29 中科院成都分院
银河是夜空中最壮美的景观。在银河繁星中，存在一些肉眼可见的“黑色星云”(图1)。这些“黑云”由恒星之外的中性气体和固体颗粒所构成，是新一代恒星的诞生地。这些固体颗粒被通称为星际尘埃。星际尘埃如何分布在银河系中？分布范围有多广？当前无法跳出银河系的人类如何来解决这一难题？
上海天文台的科研人员基于中国大科学工程郭守敬望远镜(LAMOST)的银河系恒星光谱巡天数据，为这个难题的答案献上了一块重要的拼图。让我们一窥究竟。
图1 夜空中的银河，其中的“黑色星云”即为星际尘埃所在。图片来源：网络
星际尘埃是什么
星际尘埃指分布在星际气体中的固态小颗粒，可能由硅酸盐、水和甲烷等冰状物组成。大家都听说过的PM2.5指尺寸小于2.5微米的固态小课题。而星际尘埃的固态颗粒尺寸大约在0.1微米，因此可以称它们为PM零点几。
星际尘埃主要产生于恒星演化的后期阶段，伴随着吹出的星风或超新星爆炸，恒星一辈子积攒的金属(天文学中指质子数大于氢和氦的元素)抛洒回星际空间。星际尘埃吸收紫外和可见光波段的能量(形成黑云)，并在红外波段发射。尘埃不仅有利于星际中的气体冷却以形成下一代恒星，更可以说是行星以及生命形成的基础“砖块”。虽然星际尘埃占据星系总质量的比例一般还不到千分之一,但是其在星系、恒星以及行星系统的形成和演化当中都起着关键性作用。
尘埃在星系中的空间分布情况可以提供星系结构和演化的重要信息。通过对河外星系的观测发现，尘埃在和银河系相似的盘状星系中大量存在，而且同样形成一个显著的盘状结构。一般来说，相比于恒星构成的盘来说，尘埃盘显得在径向上更延展、在厚度上更薄。图2中给出的是著名的草帽星系(M104)的图像，可以清晰的看出上述特征。所有近距离的河外盘状星系，如果从侧向观察几乎都具有M104这样的美丽构型，那么一个直接的问题就是同样作为盘状星系的银河系是具有这样的特征？或者说作为人类以及太阳系的家园，银河系中的尘埃构型会具有某种特殊性呢？
图2 哈勃太空望远镜拍摄的“草帽星系”(M104)。图片来源：NASA
银河系中的尘埃分布有了答案
一般认为，银河系的银盘由两种成分所构成，一个是年轻的薄盘，一个是年老的厚盘。银河系中大部分的恒星处于薄盘上，我们肉眼所见的银河也主要是薄盘成分。图3中给出了该研究工作得到的银河系的尘埃盘和恒星薄盘的空间分布对比示意图。该图显示的是尘埃盘和恒星盘在侧向上的效果，其中黑色区域为尘埃，白色区域为恒星薄盘。该图中，在径向上，太阳距银河系中心约27000光年；垂向上，太阳基本处于盘的中心面上，仅在盘的上方约76光年处。
图3：银河系的尘埃盘和恒星薄盘构型的示意图，其中白色区域为恒星，黑色区域为尘埃盘。图片来源：上海天文台
与可直接观测整体结构的河外星系不同的是，由于身处银河当中，虽然银河系中的尘埃几乎是肉眼“可见”，但却很难一窥其整体结构的真面目。最近，上海天文台的一组科研人员利用郭守敬望远镜银河系巡天得到的海量恒星光谱数据对银河系中尘埃成分的结构进行了精确的测量，并给出了目前为止最为精确的银河系尘埃整体分布的尺度。目前该工作已被天文学国际核心期刊《天体物理杂志》(ApJ)所正式接收。
图4 郭守敬望远镜全景。图片来源：网络
在郭守敬望远镜开始对银河系中的恒星进行巡天观测后，原北京大学刘晓为教授领导的一个研究团组对郭守敬望远镜巡天给出的恒星光谱进行了细致分析，并给出了巡天数据中每一颗恒星在视线方向上由于尘埃所造成的消光数值。具体来说，研究人员首先利用每颗恒星的光谱中不受尘埃消光影响的特征来推断恒星的内禀物理性质；在此基础上，再将观测到的恒星的颜色和其内禀颜色进行比较，即可测量在视线方向上到每颗恒星由于星际尘埃所造成的消光和红化。
上海天文台星团和银河系结构课题组博士研究生李林林在导师沈世银研究员的指导下，利用这些海量的(超过六百万颗)恒星消光数据，对银河系中尘埃的整体空间分布进行了模型构建。这项研究的关键点在于需要将测量到的从太阳出发到恒星的消光数据装换为以银河系中心为原点的坐标系中的尘埃的分布。这样的转换显然与太阳在银河系中的位置密切相关。
研究表明，在扣除太阳附近的两个较为显著的子结构后，银河系中尘埃的整体分布可以用一个密度在径向和垂向上都呈指数下降的盘状结构来很好地描述。这个尘埃构成的盘的标长达1万光年，而标高仅为330光年。和同样基于郭守敬望远镜巡天数据得到的银河系的恒星薄盘的结构参数相比，银河系的尘埃盘和恒星盘基本上是共面的，但是在径向尺度上更延展，在垂向上更薄。也就是说，如果离银河系足够远，在特定的角度上，我们看到的银河系将和草帽星系非常相似。
中科院上海天文台副台长，该研究工作的第三作者，侯金良研究员这样评价：该研究工作在对银河系尘埃整体分布的测量上，其达到的精度上是前所未有的，这很大程度上归因于郭守敬望远镜所提供的海量数据。科学上来说，该研究工作详细的对比了银河系中尘埃和其它成分(如气体、恒星)空间分布的异同，这对研究银河系中的恒星形成和演化过程具有重要的参考价值。从结果上看，银河系的尘埃分布和其它河外盘状星系非常相似，这进一步说明我们所处的银河系是一个非常典型的盘状星系，在宇宙中不具有任何的特殊性。
附：银河系中的尘埃分布是延展的，没有一个明显的边界。标高和标长是尺度分布的一种数学描述，表示的是每经过一个标长或者标高，尘埃的密度下降约2.72倍。
作者单位：中国科学院上海天文台
(文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)
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