科学通报|探秘银河系的三维消光图

PART.01

星际尘埃的影响与研究历史

星际尘埃由极其微小的固态颗粒构成，分布在星系内部的星际空间中。它不仅影响天体的观测，还是金属元素从其形成地点传输到整个银河系的重要媒介。了解尘埃的性质与分布，对于测量天体的距离和物理参数、理解恒星与行星的形成过程，以及研究银河系的化学演化历史至关重要。

二维消光图为我们提供了沿视线方向的总消光，帮助理解银河系中尘埃的分布及其对天体观测的影响。然而，二维消光图缺乏距离信息，无法揭示尘埃在三维空间中的结构，限制了我们对尘埃分布变化的理解。为了更精确地描绘银河系的结构，需要从二维消光图迈向三维消光图。三维消光图能够提供关于银河系中尘埃分布的深度信息，帮助天文学家正确地改正银河系内天体的消光与红化，并揭示星际尘埃的真实三维结构。随着大规模天区的多波段测光巡天的出现以及恒星距离测量的改进，我们可以构建高度复杂的三维尘埃柱密度图。

PART.02

银河系三维消光图的研究

构建银河系三维消光图需要首先测定天体的消光与距离信息，这是一项挑战。早期的大规模天区银河系三维消光图的构建依赖于银河系的结构模型，通过运用星族合成与演化理论预测银河系中恒星的空间位置以及星等、颜色等分布状态，并与实际观测数据比较来获取银河系三维消光分布。后续随着大规模天区银河系测光、光谱和天测巡天的开展与数据释放，我们获取了数量达到数千万至数十亿颗银河系恒星的多波段测光数据，这使得大样本恒星的消光与距离的测定成为可能。测定了大规模恒星的消光与距离信息后，我们采用阶梯函数拟合、带有高斯过程先验的反演方法以及卷积神经网络等方法来构建银河系三维消光图。

银河系三维消光图的研究在过去几十年中取得了显著进展。当前的三维消光图主要分为三类，按探测距离深度递减、距离分辨率递增的顺序分类。探测距离超过10 kpc的消光图依赖于近红外测光数据。尽管这类消光图的距离分辨率较低，但其在探测深度上的优势使其在研究银河系尘埃的大尺度分布和远距离恒星消光改正方面具有重要作用。第二类消光图覆盖较大的天区，探测距离约为4-5 kpc。这些消光图因其广阔的天区覆盖范围和高距离精度，已成为银河系研究中的重要工具。第三类是探测距离小于500 pc的高分辨率消光图。这类消光图为我们研究太阳邻域分子云的内部精细结构提供了重要数据支持。

三维消光图的最重要应用是对银河系内天体进行精确消光校正。目前，主要有两个三维消光校正工具：Dustmaps和GALExtin。Dustmaps是一个统一的Python接口，支持多种常用消光图，便于研究人员进行三维消光校正。GALExtin是一个在线工具，无需安装即可使用，提供了一种方便快捷的星际消光估算方式。这些工具极大地便利了天文学家对银河系内天体的研究和校正工作。

具有可靠距离测量的三维消光图为研究银河系各尺度的尘埃分布提供了新的途径。银河系尘埃分布通常被认为呈盘状结构。不同的工作得到的尘埃盘参数变化范围较大。最近的工作发现双尘埃盘模型可以更好地拟合数据，尘埃“薄盘”和“厚盘”的标高分别为73 pc和225 pc。在太阳周围4 kpc范围内的尘埃密度分布由拉长的线性结构主导，显示出方向的一致性，这示踪了银河系中旋臂等中等尺度结构。此外，三维消光图还揭示了旋臂间的结构，如人马臂毛刺子结构等，体现银河系旋臂倾向絮状，为限制银河系旋臂的起源提供了观测依据。最后，具有极高距离分辨率的三维消光图可以用来研究银河系中分子云的内部结构，对理解星际介质的分布和恒星形成的初始条件具有重要意义。

PART.03

结语

三维消光图的构建使我们能够更精确地描绘银河系的尘埃分布，揭示尘埃在三维空间中的真实结构。这不仅有助于改正天体观测中的消光和红化现象，还能为理解银河系的形成和演化提供重要线索。尽管当前在这方面的研究已经取得了显著的进步，我们实现了全天范围内的三维消光测量，但分辨率、精度以及探测距离等方面仍有待进一步提高。未来的高精度测光巡天项目将提供更高质量、更高精度的数据，这将对我们深入理解银河系的结构和化学演化起到至关重要的作用。

陈丙秋*, 张百松. 银河系三维消光图. 科学通报, 2024, 69(28-29): 4218–4229

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0651

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