宇宙微小塵埃，上演銀河新歌劇

3月14日，首個三維塵埃消光特性圖（3D Dust Map with R(V) Variation）登上《科學》(Science) 封面。

導讀：

星際塵埃是瀰漫在銀河系中的固體小顆粒，其遮擋了平滑的星光帶，吸收並散射背景光，導致遙遠的恆星顯得更暗淡、更紅。

利用 1.3 億顆恆星光譜，研究者繪製了這種塵埃消光特性的三維變化圖，為天文觀測提供了重要的修正參考。最新結果還挑戰了傳統的塵埃演化模型，並暗示著一種星際有機物在塵埃雲中“生長”的可能性。

張翔宇 | 撰文

“見證微小的塵埃顆粒在銀河宏大舞臺上的協奏。”

3月14日，首個三維塵埃消光特性圖（3D Dust Map with R(V) Variation）[1]登上《科學》(Science) 封面，揭示了星際塵埃的消光性質在銀河系和大、小麥哲倫雲的複雜變化，為天文觀測提供了重要的修正參考。

這項研究還揭示出星際塵埃和星系演化的緊密互動，挑戰了對塵埃演化的傳統認識，或許暗示著星際有機物的某種“生長”機制。

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1.令天文學家又愛又恨的塵埃

“天之蒼蒼，其正色邪？其遠而無所至極邪？”兩千多年前，莊子在《逍遙遊》中提出蒼穹之問。在天文學家看來，這句話用來形容星際塵埃再合適不過：遙遠的星光經過塵埃的吸收和散射，看起來比實際更暗，彷彿蒙上了一層紅色濾鏡。天文學家將這種現象稱為"消光效應" (Extinction)。

消光效應並非均勻作用於所有波長的光。藍光比紅光更容易被塵埃散射和吸收，因此我們觀測到的星光往往呈現偏紅的色調。這種隨光的波長變化的消光特徵（消光曲線，Extinction Curve），如同星際塵埃的"指紋"，記錄著塵埃顆粒的尺寸、成分，以及塵埃所在環境的溫度、磁場等關鍵資訊[2]。

一方面，塵埃固然增加了天文觀測的複雜度，另一方面，塵埃也在星系的演化中扮演著重要作用。星際塵埃堪稱宇宙的"建築師"——在銀河群星之間的星際介質（Interstellar Medium）中，大部分比氫和氦更重的元素都以塵埃的形式存在，塵埃是諸多化學反應的原材料和催化劑。另外，透過遮蔽致命的紫外輻射，塵埃還為複雜的星際分子提供屏障（Sheilding），進而可能保護了生命形成的前序物質。

然而，傳統的塵埃研究長期面臨兩難困境：高精度光譜巡天資料，雖能提供細緻的資料，但往往不能覆蓋全天，難以將塵埃納入銀河系演化的框架來考慮。而依靠測光的全天觀測，雖然能獲取大範圍資料，卻很難捕捉消光曲線的變化，這導致天文學家很多時候不得不假設“全銀河的消光曲線形狀都相同”，等於假設全銀河的塵埃顆粒大小分佈一致、化學成分相同。這種簡化雖然便於研究，但可能引入系統性誤差，給宇宙學、系外行星等研究埋下隱患。

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2.揭示塵埃消光曲線的三維空間變化

3月14日，《科學》雜誌發表的一項工作，為破解該局面提供了一個重要途徑。

德國馬克斯普朗克天文研究所的博士生張翔宇和導師Gregory M. Green將“光譜之王”——中國科學院國家天文臺郭守敬望遠鏡（LAMOST）測定的精確恆星引數[3,4],與歐洲航空局的蓋亞（Gaia）衛星低解析度光譜 (XP Spectra, R~ 50–160) 巡天[5-7]聯絡起來。

利用LAMOST和Gaia共同觀測到的兩百萬顆星，我們訓練神經網路模型，進而實現了利用低解析度光譜對1.3億顆恆星消光曲線和恆星引數的同時反推，構建出首幅覆蓋全天的三維消光曲線分佈圖，深度可達5 kpc（約16308光年）。

圖一：以太陽為中心，半徑2.6 kpc (8481光年) 以內的銀盤上塵埃消光性質的分佈，由引數R(V)表示。R(V)越大，代表消光曲線越平坦，R(V)越小代表消光曲線越陡峭。紫色的點代表O類恆星[8]，該恆星的富集區標誌著活躍的恆星形成區，在圖上往往擁有比較平坦的消光曲線。

這項成果創造了兩個"第一"：

1.資料量級：將測量的視線數提升兩個數量級，建成第一個億星級的消光資料庫；

2.空間解析：第一次實現覆蓋全天的銀河系三維塵埃分佈（A(V)）與消光曲線（R(V)）的同步測繪。

這一里程碑式成果得益於LAMOST的獨特優勢：LAMOST的大視場多目標光譜獲取能力，幫助我們獲得了大量銀盤內較高消光區的恆星的準確引數，LAMOST廣泛覆蓋了多種恆星，這使得從LAMOST資料訓練出的模型可以被應用於超過1億顆擁有GAIA XP光譜的恆星，極大地拓展了塵埃圖的廣度和深度。

這一結果還首次將塵埃性質納入銀河系演化的大框架，揭示塵埃性質與恆星形成、銀河系結構演化的緊密關聯。舉例來說，恆星形成區的消光曲線更加平坦（R(V)偏高），揭示出該區域塵埃顆粒的生長、聚合，而銀河系中心方向的消光曲線卻更加陡峭（R(V)偏低），顯示該區域可能存在的特殊物理、化學環境，有待進一步研究。

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3.挑戰塵埃演化的傳統認識

新發表的三維塵埃消光特性圖極大地提升了角解析度和距離解析度，這使得對大量塵埃雲的“全景”研究成為可能。

傳統觀念認為，越靠近塵埃雲中心的區域，塵埃密度的越高，塵埃顆粒會越“長”越大，其消光曲線也會越來越平坦。但這與我們觀測到的結果不完全一致，甚至在部分割槽域截然相反（圖二）：在不少塵埃雲中，越靠近中心，消光曲線反而是更“陡峭”了。

圖二：消光曲線的變化在全天的分佈圖（圖A），以及周圍幾個著名的塵埃雲的放大圖（圖B-F）。傳統的理論認為靠近塵埃雲中心時，塵埃顆粒會“長大”，使得消光曲線越來越平坦，在圖上應該顯得越藍。然而Taurus，Orion A和Perseus區域都呈現出相反的特徵。

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4.是有機物在作怪嗎？

上文中提到的反常現象引起了我們的進一步興趣。

我們在發表於《天體物理學快報》（The Astrophysical Journal Letters）的另外一篇文章[9]中，提出了這一現象的一種“有機”的理論解釋：這種反常變化是由於稠環芳香烴（PAH，一種含多個共邊苯環的有機大分子）的“生長”導致的。PAH質量分數越大，它的2175-埃吸收特徵就越強。這會加強對藍光的吸收，而對紅光的吸收幾乎不影響，從而使得消光曲線顯加陡峭。

對這一理論的初步檢測顯示出樂觀的結果：如果這一理論是正確的，那麼它預言了一定範圍內PAH越多，消光曲線越陡峭，R(V)越低。我們比較了大麥哲倫雲的消光曲線與PAH質量分數，二者顯示出明顯的負相關關係，見圖三：

圖三：大麥哲倫雲（LMC）的消光曲線分佈（左），與PAH質量分數[10]的分佈（右），二者呈現比較明顯的負相關。符合PAH驅動消光曲線變化的理論預測。（為方便讀者直觀看到負相關關係，兩圖的顏色對映是相反的）

如果這一理論是正確的，那麼三維塵埃圖顯示的消光曲線的變化，就暗示著星際介質中可能存在驅動PAH分子"生長"的未知機制，這為困擾學術界多年的宇宙有機分子起源問題提供了一個全新的視窗——已經存在的PAH分子，可能可以透過“吃掉”氣體和塵埃中的碳來“長大”。

有機物可以不依賴行星就能在太空中“生長”的假說無疑引人遐想。在科幻作品中，脫離行星而生存的“星際生物”始終是熱門話題。而這一暗示有機分子可生長的結論，似乎更加鼓舞了這種原本有點瘋狂的想法。

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5.展望

宇宙塵埃的最棒的一點在於，從遠、近紫外，到可見光，到紅外，甚至一直到射電，光譜上的所有波段都有它的特徵，這是天文學中最理想的多波段研究的物件。

假設越大膽，求證就越要格外謹慎。目前，我們正試圖使用高解析度紅外望遠鏡（如詹姆斯韋伯望遠鏡，JWST）等觀測PAH的吸收線、發射線的空間變化。同時，使用紫外望遠鏡（如哈勃望遠鏡，HST）直接觀察2175-埃吸收特徵的變化也是可行的選擇，當然還可以利用射電望遠鏡探測分子的旋轉模式引起的輻射，從而觀察到PAH透過化學變化形成的產物分子[11]……

考慮到星際塵埃雲中發生的化學反應的複雜性，最終的結論或許要迭代許多個版本、加上許多個註腳。然而無論如何，一扇全新的視窗已經開啟。期待會有更多同行加入這場揭開“銀河的帷幕”的征程。