测量银河系尘埃盘

文/李林林 沈世银

  银河是夜空中最壮美的景观。在银河的点点繁星中,存在着一些肉眼可见的“黑色星云”。这些黑色星云由恒星之外的中性气体和固体颗粒构成,是新一代恒星的诞生地,其中的固体颗粒被通称为星际尘埃。
   星际尘埃在银河系中如何分布?分布范围有多广?当前还无法跳出银河系的人类如何来回答这些难题?中国科学院上海天文台的科研人员,基于中国大科学工程郭守敬天文望远镜(LAMOST)的银河系恒星光谱巡天数据,为这些难题的答案补上了一块重要的拼图。下面,让我们一窥究竟。
  
星际尘埃为何物
   星际尘埃是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。大家都熟悉的PM2.5(细颗粒物)是指直径尺寸小于等于2.5微米的固态小颗粒,而星际尘埃的固态颗粒尺寸大约为0.1微米,按照上述命名方法,就可以称它们为PM0.1了。
   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,恒星把积攒的金属(天文学中指质子数大于氦质子数的元素)抛洒到星际空间。星际尘埃吸收紫外和可见光波段的能量(形成黑色星云),并在红外波段发射。星际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, 但其在星系、恒星以及行星系统的形成和演化中都起着关键性作用。
   星际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,在和银河系相似的盘状星系中存在大量星际尘埃,而且同样形成一个显著的盘状结构。一般来说,相比恒星构成的恒星盘来说,尘埃盘显得在径向上更延展、在厚度上更薄。在著名的草帽星系(M104)的图像中,可以清晰地看出上述特征。如果从侧向观察,所有近距离的河外盘状星系,几乎都具有草帽星系这样的美丽构型。那么,同样作为盘状星系的银河系是否也具有这样的特征呢?或者说作为人类以及太阳系的家园,银河系中的星际尘埃构型会具有某种特殊性吗?

大显身手的郭守敬天文望远镜
   与可直接观测整体结构的河外星系不同的是,由于我们身处银河系之中,虽然银河系中的星际尘埃几乎是肉眼“可见”,人们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天文望远镜银河系巡天得到的海量恒星光谱数据,对银河系中星际尘埃成分的结构进行了精确测量,并给出了目前为止最为精确的银河系星际尘埃整体分布的尺度。
   在郭守敬天文望远镜开始对银河系中的恒星进行巡天观测后,刘晓为教授在北京大学期间领导的一个研究团队,对郭守敬天文望远镜巡天得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星际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星际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每颗恒星由于星际尘埃所造成的消光和红化。
  
银河系中的星际尘埃分布
   上海天文台星团和银河系结构课题组的博士研究生李林林,在其导师沈世银研究员的指导下,利用这些海量的恒星(超过600万颗)消光数据,对银河系中星际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将测量到的从太阳出发到恒星的消光数据,转换为以银河系中心为原点的坐标系中的星际尘埃分布,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,在扣除太阳附近两个较为显著的子结构后,银河系中星际尘埃的整体分布可以用一个盘状结构来很好地描述,该盘状结构的密度在径向和垂向上都呈指数下降。银河系中的星际尘埃分布是延展的,没有一个明显的边界。这个星际尘埃构成的盘的标长达1万光年,而标高仅为330光年。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,星际尘埃的密度下降约2.72倍。和同样基于郭守敬天文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。
   一般认为,银河系的盘由两个成分所构成,一个是年轻的薄盘,一个是年老的厚盘。银河系中大部分恒星处于薄盘上,我们肉眼所见的银河也主要是薄盘成分。上海天文台的研究人员绘制了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,其中黑色区域为星际尘埃,白色区域为恒星薄盘。图中,在径向上,太阳距银河系中心约27 000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。
   上海天文台副台长侯金良研究员评价说:该研究工作在对银河系星际尘埃整体分布的测量上,达到的精度是前所未有的,这很大程度上归因于郭守敬天文望远镜所提供的海量数据。从科学上来说,该研究工作详细地对比了银河系中星际尘埃和其他成分(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,银河系的星际尘埃分布和其他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,在宇宙中不具有特殊性。
(本文作者李林林为中国科学院上海天文台博士研究生,沈世银为中国科学院上海天文台研究员)
郭守敬天文望远镜
郭守敬天文望远镜是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope,LAMOST)的中文名称。它是我国目前口径最大的望远镜,由我国自主创新设计,在多项技术上位于国际前沿,是我国国家重大科学工程之一。郭守敬天文望远镜在大规模光学光谱观测和大视场天文学研究方面,居于国际领先的地位。
郭守敬天文望远镜现阶段的使命是“巡视”银河系,它可以同时观测4000个天体,而目前世界上同类“巡天”项目望远镜最多才可同时观测 640 个天体。
如果想了解更多关于郭守敬天文望远镜的内容,可阅读本刊2017年第3期的文章《郭守敬天文望远镜》。

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