塵埃是什么意思(星際塵埃哪里神圣了？)

是銀河之夜空中最壯麗的景觀。在銀河系的恒星中，有一些肉眼可見的“黑色星云”(圖1)。這些“黑云”由恒星外部的中性氣體和固體粒子組成，是新一代恒星的發(fā)源地。這些固體顆粒通常被稱為星際塵埃。星際塵埃在銀河系中是如何分布的？分布有多廣？無法跳出銀河系的人類如何解決這個問題？

上海天文臺的研究人員根據(jù)中國重大科學(xué)項(xiàng)目“郭守敬望遠(yuǎn)鏡”的星系恒星光譜調(diào)查數(shù)據(jù)，提出了一個重要的謎題。讓我們看一眼。

圖1夜晚的銀河系空，其中的“黑色星云”就是星際塵埃。圖片來源:互聯(lián)網(wǎng)

什么是星際塵埃？

星際塵埃是指分布在星際氣體中的小固體顆粒，可能由冰狀硅酸鹽、水和甲烷組成。大家都聽說過PM5是指尺寸小于5微米的固體小顆粒。星際塵埃的固體顆粒大小約為0.1微米，因此它們可以被稱為PM的分?jǐn)?shù)。

星際塵埃主要產(chǎn)生于恒星演化的后期。隨著吹來的風(fēng)或超新星爆發(fā)，恒星積累的金屬(天文學(xué)上指質(zhì)子比氫氦多的元素)被拋回星際空間空。星際塵埃在紫外和可見光波段吸收能量(形成黑云)，在紅外波段發(fā)射。塵埃不僅有利于星際氣體冷卻形成下一代恒星，也是行星和生命形成的基本“磚塊”。雖然星際塵埃只占星系總質(zhì)量的不到千分之一，但它在星系、恒星和行星系統(tǒng)的形成和演化中起著關(guān)鍵作用。

星系中空之間的塵埃分布可以提供星系結(jié)構(gòu)和演化的重要信息。通過對河外星系的觀測，發(fā)現(xiàn)大量類似銀河系的盤狀星系中存在塵埃，也形成了顯著的盤狀結(jié)構(gòu)。一般來說，與恒星組成的圓盤相比，塵埃盤在徑向上延伸得更多，厚度也更薄。圖2顯示了著名的曹髦星系(M104)的圖像，可以清楚地看到上述特征。如果所有的河外星系近景盤星系從側(cè)面看都有M104這么漂亮的構(gòu)型，那么一個直接的問題就是，同樣是盤星系的銀河系是否也有這樣的特征？還是作為人類和太陽系的家園，銀河系中的塵埃構(gòu)型會有一些特殊性？

圖2哈勃太空望遠(yuǎn)鏡空拍攝的“草帽星系”(M104)。圖片來源:NASA

銀河系中塵埃的分布有了答案。

一般來說，銀河系的銀盤是由兩部分組成的，一部分是年輕的薄盤，一部分是年老的厚盤。銀河系的大部分恒星都在薄圓盤上，我們?nèi)庋劭吹降你y河系主要由薄圓盤組成。圖3是銀河系中恒星的塵埃盤和薄盤的空分布對比圖。圖為塵埃盤和星盤的橫向效果，其中黑色區(qū)域?yàn)閴m埃，白色區(qū)域?yàn)楸⌒潜P。在這個圖中，太陽在徑向上距離銀河系中心約27000光年；在垂直方向上，太陽基本在盤面的中心平面上，距離盤面只有76光年左右。

圖3:銀河系中恒星的塵埃盤和薄盤的構(gòu)型示意圖，其中白色區(qū)域?yàn)楹阈?，黑色區(qū)域?yàn)閴m埃盤。圖片:上海天文臺

與河外星系可以直接觀測到整體結(jié)構(gòu)不同，銀河系中的塵埃肉眼幾乎“可見”，但卻很難一窺其整體結(jié)構(gòu)。最近，上海天文臺的一組研究人員利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡獲得的海量恒星光譜數(shù)據(jù)，對銀河系塵埃成分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確測量，給出了迄今為止銀河系塵埃整體分布的最精確尺度。目前，這項(xiàng)工作已經(jīng)被國際天文學(xué)核心期刊《天體物理學(xué)報》(ApJ)正式接受。

圖4郭守敬望遠(yuǎn)鏡全景。圖片來源:互聯(lián)網(wǎng)

在郭守敬望遠(yuǎn)鏡開始巡天銀河系中的恒星后，北京大學(xué)劉曉偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對郭守敬望遠(yuǎn)鏡給出的恒星光譜進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了巡天數(shù)據(jù)中每顆恒星在視線方向上由于塵埃造成的消光值。具體來說，研究人員首先利用每顆恒星光譜不受塵埃消光影響的特征來推斷恒星的內(nèi)在物理性質(zhì)；在此基礎(chǔ)上，將觀測到的恒星顏色與其固有顏色進(jìn)行比較，就可以測出每顆恒星在視線內(nèi)星際塵埃引起的消光和變紅。

在導(dǎo)師沈的指導(dǎo)下，上海天文臺星團(tuán)與星系結(jié)構(gòu)研究組博士生利用這些海量(超過600萬顆)恒星消光數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個銀河系塵埃總體空分布模型。這項(xiàng)研究的重點(diǎn)在于，需要用以銀河系中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中塵埃的分布來代替太陽到恒星的實(shí)測消光數(shù)據(jù)。這種轉(zhuǎn)變顯然與太陽在星系中的位置密切相關(guān)。

結(jié)果表明，扣除太陽附近兩個突出的子結(jié)構(gòu)后，銀河系塵埃的整體分布可以用一個密度在徑向和垂直方向都呈指數(shù)遞減的圓盤結(jié)構(gòu)來很好地描述。這個塵埃盤的尺度有10000光年長，但仰角只有330光年。對比郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天數(shù)據(jù)得到的銀河系恒星薄盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，銀河系的塵埃盤和恒星盤基本共面，但在徑向尺度上延伸更多，在垂直方向上更薄。也就是說，如果我們離銀河系足夠遠(yuǎn)，在特定的角度下，我們看到的銀河系會和草帽星系非常相似。

中國科學(xué)院上海天文臺副臺長、該研究工作的第三作者侯研究員評價說，該研究工作在測量銀河系塵埃總體分布方面取得了前所未有的精度，這在很大程度上歸功于郭守敬望遠(yuǎn)鏡提供的海量數(shù)據(jù)。從科學(xué)上講，這項(xiàng)研究工作詳細(xì)比較了銀河系中塵埃和其他成分(如氣體和恒星)空分布的異同，對研究銀河系恒星形成和演化過程具有重要的參考價值。從結(jié)果來看，銀河系的塵埃分布與河外其他盤狀星系非常相似，這進(jìn)一步說明我們的銀河系是一個非常典型的盤狀星系，在宇宙中沒有特殊性。

附:銀河系中的塵埃分布是擴(kuò)展的，沒有明顯的邊界。海拔和尺度長度是對尺度分布的一種數(shù)學(xué)描述，即每增加一個尺度長度或海拔，塵埃的密度下降約72倍。

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