天文學家依靠清晰的觀測來研究天體，但宇宙塵埃會改變我們的觀測結果，使恆星看起來比實際上更紅、更暗。 要糾正這一點，研究人員需要了解塵埃是如何與光線相互作用的。

紅色表示消光在長波長（光譜的紅色端）下降較快的區域，藍色表示消光對波長的依賴性較小的區域。 數據不足的區域顯示為白色。 灰色等值線表示塵埃密度較高的區域。 資料來源：X. Zhang/G. 格林，MPIA

天文學家利用歐空局蓋亞任務的資料和LAMOST巡天的高解析度光譜，繪製了最詳細的銀河系塵埃三維圖。 這項突破不僅增強了我們觀測遙遠恆星的能力，也加深了我們對星際塵埃的了解，而星際塵埃在恆星和行星的形成過程中起著至關重要的作用。 意想不到的是，他們的研究揭示了塵埃消亡的表現與先前想像的不同，這可能暗示了多環芳烴等複雜分子的存在，這可能對生命起源產生影響。

宇宙塵埃帶來的天體障礙

當我們觀測遙遠的恆星時，我們看到的東西並不總是我們得到的。 一顆看起來偏紅的恆星實際上可能不是這種顏色，它的光線可能在穿過宇宙塵埃到達我們的望遠鏡之前就已經被改變了。 為了確保觀測的準確性，天文學家必須考慮到這些塵埃，它們不僅會使恆星的顏色偏紅（這種現象稱為”變紅”），還會使其亮度變暗（”消光”）。 這就好像我們透過一扇佈滿灰塵的窗戶來觀察宇宙。 現在，兩位天文學家繪製了一幅突破性的三維地圖，以前所未有的細節揭示了星際塵埃的分佈和特性，為我們的宇宙觀提供了新的清晰度。

塵埃如何改變我們的宇宙觀

幸運的是，天文學家有辦法重建塵埃的影響。 宇宙塵埃對光的吸收和散射並不均勻，它對波長較短（藍光）的影響比對波長較長（紅光）的影響更大。 這種模式稱為”消光曲線”，有助於科學家確定塵埃的成分並了解其環境，包括星際空間不同區域的輻射條件。

蓋婭衛星在銀河前的藝術視圖。 圖片來源：ESA/ATG medialab；背景：ESO/S： ESO/S. 布魯尼耶

從1.3 億個光譜檢索塵埃訊息

馬克斯-普朗克天文學研究所（MPIA）的博士生張翔宇和該研究所的獨立研究小組組長（索菲亞-科瓦列夫斯卡亞小組）、張翔宇的博士生導師格雷戈里-格林（Gregory Green）就是利用這些信息構建了迄今為止最詳細的銀河系塵埃特性三維地圖。 張和格林利用歐空局蓋亞任務（Gaia mission）的數據，該任務歷時10.5年，對銀河系和我們最近的銀河系鄰居麥哲倫雲（Magellanic Clouds）中超過10億顆恆星的位置、運動和其他屬性進行了極其精確的測量。 蓋亞任務的第三次數據發布（DR3）於2022年6月公佈，提供了2.2億個光譜，品質檢查結果告訴張和格林，其中約1.3億個光譜適合他們尋找塵埃。

蓋亞光譜的分辨率較低，也就是說，它們將光線分成不同波長區域的方式相對粗糙。 這兩位天文學家找到了繞過這個限制的方法： 在他們選擇的恆星中，有1%的恆星擁有由中國國家天文台進行的LAMOST巡天觀測所提供的高分辨率光譜。 這提供了有關恆星基本屬性的可靠信息，例如恆星的表面溫度，它決定了天文學家所說的恆星的”光譜類型”。

重建星際塵埃的立體地圖

張和格林訓練了一個神經網絡，根據恆星的特性和星際塵埃的特性生成模型光譜。 他們將結果與來自蓋亞的1.3 億個合適光譜進行比較，並使用統計（”貝葉斯”）技術推斷出我們與這1.3 億顆恆星之間的塵埃屬性。

這些結果使天文學家得以重建第一張詳細的銀河塵埃消光曲線三維圖。 之所以能繪製出這張地圖，是因為張和格林測量了數量空前的恆星消光曲線–1.3 億顆恆星，而先前的研究只測量了大約100 萬顆恆星。

不過，塵埃對天文學家來說不只是個麻煩。 它對恆星的形成非常重要，因為恆星是在巨型氣體雲中形成的，這些氣體雲被塵埃遮擋住了周圍的輻射。 當恆星形成時，它們被氣體和塵埃的圓盤所包圍，這就是行星的誕生地。 塵粒本身就是最終成為像我們地球這樣的行星固體的構件。 事實上，在銀河系的星際介質中，大部分比氫和氦重的元素都被星際塵粒鎖住了。

宇宙塵埃的意外特性

新成果不僅產生了精確的三維地圖。 它們也發現了星際塵埃雲的一個驚人特性。 在此之前，人們預期塵埃密度較高的區域的消光曲線應該會變得更加平坦（對波長的依賴性較小）。 當然，在這種情況下，”較高密度”仍然非常小：約為每立方米中塵埃的十億億分之一克，相當於地球半徑的球體中僅有10 公斤塵埃。 在這樣的區域中，塵粒往往會增大，從而改變整體的吸收特性。

相反，天文學家發現，在中等密度區域，消光曲線實際上變得更加陡峭，小波長的吸收比長波長的吸收更有效。 張和格林推測，造成這種陡峭化的原因可能不是塵埃，而是一類叫做多環芳香烴（PAHs）的分子的增長，這種分子是星際介質中最豐富的碳氫化合物，甚至可能在生命的起源中扮演了一定的角色。 他們已經著手透過未來的觀測來驗證他們的假設。

編譯自/ ScitechDaily