揭開宇宙面紗：130萬顆恆星的星際塵埃3D地圖

天文學家依賴清晰的觀測來研究天體，但宇宙中的塵埃卻改變了我們所見的景象，使恆星看起來比實際更紅更暗。為了修正這種現象，研究人員需要了解塵埃如何與光相互作用。利用歐洲太空總署（ESA）的蓋亞任務資料和中國LAMOST巡天計劃的高解析度光譜，天文學家繪製出了迄今最詳細的銀河系塵埃3D地圖。這項突破不僅提升了我們觀測遙遠恆星的能力，還加深了我們對星際塵埃的理解，這些塵埃在恆星和行星的形成過程中扮演著關鍵角色。令人意外的是，研究發現塵埃消光的行為與以往認知不同，這可能暗示了複雜分子如多環芳香烴的存在，這些分子甚至可能與生命起源有關。

當我們觀測遙遠的恆星時，所見未必是真實。一顆看似紅色的恆星，其光線可能在穿越宇宙塵埃的過程中發生了改變，才抵達我們的望遠鏡。為了確保觀測的準確性，天文學家必須考慮這種塵埃的影響，它不僅會使恆星的顏色偏紅（稱為紅化現象），還會降低其亮度（消光現象）。這就像我們透過一扇佈滿灰塵的窗戶觀察宇宙。如今，兩位天文學家繪製了一張突破性的3D地圖，以前所未有的細節揭示了星際塵埃的分佈和特性，為我們的宇宙視野帶來了新的清晰度。

幸運的是，天文學家有一種方法可以重建塵埃的影響。宇宙塵埃對光的吸收和散射並不均勻，它對短波長（藍光）的影響大於長波長（紅光）。這種模式被稱為消光曲線，幫助科學家確定塵埃的組成並瞭解其環境，包括星際空間不同區域的輻射條件。

馬克斯·普朗克天文研究所（MPIA）的博士生張翔宇與其博士導師、MPIA獨立研究組長Gregory Green，利用ESA蓋亞任務的資料，繪製了迄今最詳細的銀河系塵埃特性3D地圖。蓋亞任務耗時10.5年，對銀河系及鄰近的麥哲倫雲中超過10億顆恆星的位置、運動和其他特性進行了極其精確的測量。2022年6月發布的蓋亞任務第三批資料（DR3）提供了2.2億個光譜，經過品質檢查，張翔宇和Green發現其中約1.3億個光譜適合用於他們的塵埃研究。

蓋亞光譜的解析度較低，即它們將光分離到不同波長區域的方式相對粗糙。兩位天文學家找到了一種繞過這一限制的方法：在他們選擇的恆星中，有1%來自中國國家天文臺運營的LAMOST巡天計劃的高解析度光譜。這提供了有關恆星基本特性的可靠資訊，例如其表面溫度，這決定了天文學家所稱的恆星光譜型別。

張翔宇和Green訓練了一個神經網路，根據恆星的特性及途經塵埃的特性生成模型光譜。他們將結果與蓋亞的1.3億個合適光譜進行比較，並使用統計（貝葉斯）技術推斷出這些恆星與我們之間塵埃的特性。這使得天文學家能夠重建銀河系塵埃消光曲線的首張詳細三維地圖。這張地圖之所以成為可能，是因為張翔宇和Green對前所未有的1.3億顆恆星進行了消光曲線測量，而以往的研究僅包含約100萬次測量。

然而，塵埃對天文學家來說不僅僅是麻煩。它對恆星形成至關重要，恆星形成於巨大的氣體雲中，這些氣體雲被其塵埃遮蔽，免受周圍輻射的影響。當恆星形成時，它們被氣體和塵埃盤包圍，這些盤是行星的誕生地。塵埃顆粒本身是未來形成像地球這樣的固體行星的基礎。事實上，在銀河系的星際介質中，比氫和氦重的元素大多被鎖在星際塵埃顆粒中。

新的研究結果不僅產生了精確的3D地圖，還揭示了星際塵埃雲的一個令人驚訝的特性。此前，人們預計消光曲線在塵埃密度較高的區域會變得更平坦（對波長的依賴性降低）。當然，這裡的「高密度」仍然非常低：大約每立方米有十億分之一的塵埃，相當於地球半徑的球體中僅有10公斤的塵埃。在這些區域，塵埃顆粒往往會增大，從而改變整體的吸收特性。

然而，天文學家發現，在中等密度的區域，消光曲線實際上變得更陡峭，短波長比長波長被吸收得更有效。張翔宇和Green推測，這種變陡峭的現象可能不是由塵埃的增長引起的，而是由一類稱為多環芳香烴（PAHs）的分子增長引起的，這些分子是星際介質中最豐富的碳氫化合物，甚至可能在生命起源中扮演了角色。他們已經著手透過未來的觀測來驗證這一假設。

參考文獻：Xiangyu Zhang和Gregory M. Green，《銀河系內星際塵埃消光曲線的三維地圖》，2025年3月13日，《科學》。DOI: 10.1126/science.ado9787