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银河是夜晚最壮丽的景象空。在银河恒星中，有一些肉眼可见的“黑色星云”(图1)。这些“黑云”由恒星外部的中性气体和固体粒子组成，是新一代恒星的发源地。这些固体颗粒通常被称为星际尘埃。星际尘埃在银河系中是如何分布的？分布范围有多广？目前无法跳出银河系的人类如何解决这个问题？上海天文台的研究人员以中国大学为基础。

银河是夜晚最壮丽的景象空。在银河恒星中，有一些肉眼可见的“黑色星云”(图1)。这些“黑云”由恒星外部的中性气体和固体粒子组成，是新一代恒星的发源地。这些固体颗粒通常被称为星际尘埃。星际尘埃在银河系中是如何分布的？分布范围有多广？目前无法跳出银河系的人类如何解决这个问题？

上海天文台的研究人员根据中国郭守敬望远镜对银河系恒星光谱的观测数据，为这个问题的答案提供了一个重要的谜题。让我们看一看。

图1黑夜中的银河系空，其中的“黑色星云”就是星际尘埃。图片来源:网络

什么是星际尘埃？

星际尘埃是指分布在星际气体中的固体小颗粒，可能由硅酸盐、水、甲烷等冰组成。大家都听说过PM2.5是指尺寸小于2.5微米的固体小颗粒。星际尘埃的固体颗粒大小约为0.1微米，因此可以称为PM fraction。

星际尘埃主要产生于恒星演化的后期。随着吹来的星风或超新星爆发，恒星一生积累的金属(天文学上指质子比氢氦多的元素)被抛回星际空间空。星际尘埃在紫外和可见光波段吸收能量(形成黑云)，并在红外波段发射。尘埃不仅有利于星际气体冷却形成下一代恒星，也是行星和生命形成的基本“砖块”。虽然星际尘埃只占星系总质量的不到千分之一，但它在星系、恒星和行星系统的形成和演化中起着关键作用。

星系中空之间的尘埃分布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，发现大量类似银河系的盘状星系中存在尘埃，也形成了显著的盘状结构。一般来说，与恒星组成的圆盘相比，尘埃盘在径向上显得更加延伸，厚度也更薄。著名的草帽星系(M104)的图像如图2所示，可以清楚地看到上述特征。如果所有的河外近距离盘状星系从侧面看都有M104这样漂亮的构型，那么一个直接的问题就是，同样是盘状星系的银河系也有这样的特征。或者说作为人类和太阳系的家园，银河系中的尘埃构型会不会有一些特殊性？

图2哈勃空望远镜(M104)拍摄的“草帽星系”。图片来源:NASA

尘埃在星系中的分布已经有了答案。

一般认为银河系的银盘由两部分组成，一部分是年轻的薄盘，一部分是年老的厚盘。银河系的大部分恒星都在薄圆盘上，我们肉眼看到的银河系主要由薄圆盘组成。图3显示了本研究获得的星系尘埃盘和薄盘的空分布对比图。图为尘埃盘和星盘的横向效果，其中黑色区域为尘埃，白色区域为薄星盘。这张图中，在径向上，太阳距离银河系中心约27000光年；在垂直方向上，太阳基本在盘面的中心平面上，距离盘面只有76光年左右。

图3:银河系中恒星的尘埃盘和薄盘的构型示意图，其中白色区域为恒星，黑色区域为尘埃盘。图片来源:上海天文台

不同于河外星系可以直接观测到整个结构，因为它处于银河系的中间，虽然银河系中的尘埃肉眼几乎“看得见”，但却很难看到它整个结构的真实面目。最近，上海天文台的一组研究人员利用郭守敬望远镜获得的海量恒星光谱数据，对银河系尘埃成分的结构进行了精确测量，给出了迄今为止银河系尘埃整体分布的最精确尺度。目前，这项工作已经被国际天文学核心期刊《天体物理学报》(ApJ)正式接受。

图4郭守敬望远镜全景。图片来源:网络

在郭守敬望远镜开始巡天银河系恒星后，北京大学刘晓伟教授领导的研究小组对郭守敬望远镜给出的恒星光谱进行了详细的分析，给出了每颗恒星在视线内由于尘埃的消光值。具体来说，研究人员首先利用每颗恒星光谱不受尘埃消光影响的特征来推断恒星的内在物理性质；在此基础上，我们可以通过比较观测到的恒星颜色与其固有颜色，来衡量每颗恒星在视线范围内由星际尘埃引起的消光和变红。

上海天文台星团与星系结构研究组博士生在导师沈研究员的指导下，利用这些大质量恒星(600多万颗恒星)的消光数据，建立了一个星系中尘埃总体空分布的模型。这项研究的重点是用以银河系中心为原点的坐标系中尘埃的分布来代替太阳到恒星的实测消光数据。这种转变显然与太阳在银河系中的位置密切相关。

研究表明，扣除太阳附近两个显著的子结构后，银河系尘埃的整体分布可以用一个密度在径向和垂直方向都呈指数递减的盘状结构来很好地描述。这个由尘埃构成的圆盘的尺度有10000光年长，而仰角只有330光年。与同样基于郭守敬望远镜巡天数据得到的银河系薄盘结构参数相比，尘埃盘与银河系薄盘基本共面，但在径向维度上延伸更多，在垂直方向上更薄。也就是说，如果我们离银河系足够远，在某个角度，我们看到的银河系会和草帽星系非常相似。

中国科学院上海天文台副台长、该项研究的第三作者侯评价说，这项研究工作在测量银河系尘埃总体分布方面的精度是前所未有的，这在很大程度上归功于郭守敬望远镜提供的海量数据。从科学上讲，这项研究详细比较了银河系中尘埃与其他成分(如气体和恒星)空的异同，对研究银河系中恒星的形成和演化具有重要的参考价值。从结果来看，银河系的尘埃分布与河外其他盘状星系非常相似，这进一步说明我们的银河系是一个非常典型的盘状星系，在宇宙中没有特殊性。

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