近日,北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院與前沿科學(xué)研究所的博士生王濤在苑海波教授指導(dǎo)下,和云南大學(xué)、國(guó)家天文臺(tái)、山西大學(xué)合作,基于LAMOST DR11光譜參數(shù)和Gaia DR3 XP無(wú)縫光譜及參數(shù)構(gòu)建了全天高精度三維消光圖。該研究提供了迄今為止綜合性能最強(qiáng)的全天三維塵埃消光圖,并在此基礎(chǔ)上,直接在三維空間識(shí)別出3345個(gè)分子云,形成了目前最大的含精確距離與物理參數(shù)的分子云云表。兩項(xiàng)成果作為連號(hào)姊妹篇,已同時(shí)發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志增刊》(2025, ApJS,280:15 & 280:16)。
星際塵埃在紫外、光學(xué)和近紅外波段會(huì)顯著地遮蔽并紅化星光,從而影響天體本征信息的測(cè)定,構(gòu)建覆蓋全天的高精度三維消光圖不僅是實(shí)現(xiàn)可靠消光改正的必要條件,也是理解銀河系塵埃分布、星際介質(zhì)演化乃至恒星形成與反饋的基礎(chǔ)。過(guò)去十年,隨著大規(guī)模巡天項(xiàng)目的興起,天文學(xué)家在繪制銀河系塵埃三維消光圖方面取得了顯著進(jìn)展。Chen et al. (2019) 和Green et al.(2019) 基于多波段測(cè)光數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了角分辨率達(dá)~7角分、探測(cè)深度達(dá)6 kpc的三維消光圖,極大推動(dòng)了銀盤(pán)與北天區(qū)域的研究。然而,利用測(cè)光數(shù)據(jù)的方法受限于恒星參數(shù)的不確定性,其消光精度普遍有限。近期,Edenhofer et al. (2024) 首次基于Gaia DR3的 XP 無(wú)縫光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建了全天消光圖,但其角分辨率較低(~14角分),探測(cè)深度僅限于1.25 kpc內(nèi)的太陽(yáng)鄰域。同時(shí),以往的三維消光圖依賴(lài)復(fù)雜的貝葉斯推斷與海量數(shù)據(jù)插值,生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品動(dòng)輒數(shù)GB,計(jì)算成本較大?,F(xiàn)有方法要么犧牲精度換取廣覆蓋,要么追求細(xì)節(jié)卻困于局部。如何突破這一瓶頸,構(gòu)建一張既精確又深遠(yuǎn),既細(xì)致又高效的三維塵埃地圖,成為當(dāng)前銀河系三維消光圖構(gòu)建的重要問(wèn)題。
研究人員利用LAMOST DR11的恒星大氣參數(shù)與基于Gaia XP光譜合成的B/V波段測(cè)光,利用恒星配對(duì)法獲得了約460萬(wàn)顆恒星的E(B–V),其典型精度達(dá)到0.01 mag(此LAMOST消光星表已在Wang et al. 2025a中提供),此后結(jié)合 Gaia XP 的紅化測(cè)量(Zhang et al. 2023),將其與LAMOST的E(B–V)進(jìn)行了嚴(yán)格交叉驗(yàn)證與篩選,形成約1.5億顆恒星的LAMOST-Gaia聯(lián)合E(B–V)高可靠樣本,中位精度 ~ 0.03 mag。
為了重建不同視線方向上的紅化——距離關(guān)系,研究人員采用了具備物理含義的參數(shù)化建模方法,在建模過(guò)程中考慮了本地泡、彌散星際介質(zhì)以及多個(gè)潛在分子云的貢獻(xiàn)。通過(guò)自適應(yīng)分辨率與具備物理含義的連續(xù)函數(shù)建模策略,最終生成了迄今為止綜合性能最強(qiáng)的全天三維塵埃消光圖:1)角分辨率:在3.4至58角分之間變化,其中約一半天區(qū)的分辨率優(yōu)于6.9角分;2)探測(cè)距離:在 |b| < 5°的高消光區(qū)域,三維消光圖的最大可靠距離為 3-5 kpc,而在其他區(qū)域則可延伸至10-15 kpc;3)精度:在銀緯 |b| > 20°的大多數(shù)區(qū)域,精度可達(dá)0.01 mag,在其它區(qū)域精度為0.01- 0.05 mag,是當(dāng)前最常用Green et al. (2019) 消光圖精度的2倍;4)易用性:由于使用參數(shù)化建模,最終數(shù)據(jù)包小巧,僅約400MB,并且使用成本極低(讀取千萬(wàn)顆源用時(shí)約五秒)。
為了用一圖直觀展示三維塵埃消光圖,研究人員將不同距離區(qū)間的消光強(qiáng)度以對(duì)數(shù)尺度映射為RGB三原色的亮度,展示在在圖一中,并在圖二中分距離切片展示了塵埃分布和Green et al. (2019) 的對(duì)比,得益于本工作三維塵埃消光圖的高精度、高分辨率與探測(cè)深度,許多以往未被識(shí)別的精細(xì)結(jié)構(gòu)得以顯現(xiàn)。同時(shí),研究人員在圖三中將塵埃分布轉(zhuǎn)換至笛卡爾坐標(biāo)系下的XY/XZ/YZ平面繪制,可以從銀河尺度上更加直觀審視塵埃的分布。

圖一:基于近、中、遠(yuǎn)距離塵埃消光大小作為三原色構(gòu)建的三維消光圖全景圖。圖中采用紅、綠、藍(lán)通道分別表征不同距離范圍內(nèi)的塵埃分布:紅色代表近距離塵埃(0–0.6 kpc),綠色代表中距離塵埃(0.6–2 kpc),藍(lán)色代表遠(yuǎn)距離塵埃(2 kpc 至最大可靠距離)。顏色反應(yīng)了不同距離區(qū)間內(nèi)消光大?。ㄒ詫?duì)數(shù)尺度)。

圖二:在不同距離范圍內(nèi)的累積紅化分布:0–0.5、0.5–1、1–2 和 2–5 kpc。圖的左側(cè)顯示了本研究的結(jié)果,右側(cè)展示了Green et al.(2019)的結(jié)果。所有子圖均以角分辨率為 3.3角分繪制。在近距離和大尺度上,兩組數(shù)據(jù)集顯示出良好的一致性,得益于本工作三維塵埃消光圖的高精度、高分辨率與探測(cè)深度,許多以往未被識(shí)別的微弱結(jié)構(gòu)得以顯現(xiàn)。

圖三:銀河系鳥(niǎo)瞰圖XY平面的塵埃密度分布,太陽(yáng)位于距銀心8.12 kpc處(以黑色“×”符號(hào)標(biāo)示)。圖中同時(shí)標(biāo)示了銀經(jīng)方向l = 0°和l = 90°。實(shí)線和虛線曲線分別表示旋臂的中心位置及其±1σ寬度,從左至右依次為:英仙臂、本地臂、本地臂支臂和人馬-船底臂,數(shù)據(jù)源自Reid et al.(2019)利用脈澤測(cè)量所得的旋臂位置。頂部圖:XZ平面內(nèi)的塵埃密度分布。右側(cè)圖:YZ平面內(nèi)的塵埃密度分布。
基于上述三維塵埃消光圖,研究人員應(yīng)用了層次聚類(lèi)方法直接在三維空間中識(shí)別高密度結(jié)構(gòu),最終確定了3345個(gè)分子云,并編制了一份全天分子云云表(該云表已在Wang et al. 2025b中公開(kāi)),展示在圖四中。該云表覆蓋從90 pc 至 4.3 kpc 的距離范圍,并為每個(gè)分子云提供了包括位置、尺度、質(zhì)量、表面密度和塵埃密度在內(nèi)的關(guān)鍵物理參數(shù)。在這些分子云中,約 650 個(gè)與本地泡的邊界相關(guān),另有約 740 個(gè)位于銀緯 |b| > 20°的高緯區(qū)域。分子云的空間分布揭示了銀河盤(pán)中的一系列大尺度結(jié)構(gòu),包括似乎南北貫通的本地泡、連續(xù)的臂狀特征,以及巨大的空腔。這些結(jié)果不僅揭示了分子云在追蹤銀河系旋臂網(wǎng)絡(luò)中的作用,也為理解本地泡的形成歷史、星際介質(zhì)的大尺度演化過(guò)程,以及分子云與星際環(huán)境的相互作用提供了新的視角。

圖四:識(shí)別出的分子云的銀道坐標(biāo)系下的分布。圓圈大小代表角半徑,顏色表示分子云到太陽(yáng)的距離。紅色虛線勾勒出的空洞區(qū)域?qū)?yīng)于Neill et al.(2024)所識(shí)別的“煙囪”(chimney)結(jié)構(gòu),被解釋為本地泡(Local Bubble)的一個(gè)銀河北部的垂直開(kāi)口。同一研究中描述的“隧道”(tunnel)特征則由黑色虛線標(biāo)出,分子云的識(shí)別暗示,本地泡的南側(cè)可能有更廣闊的開(kāi)口,或者說(shuō)本地泡可能是南北貫通的。
本研究構(gòu)建的高精度全天三維塵埃消光圖及系統(tǒng)性的銀河系分子云識(shí)別結(jié)果,為精確消光改正、銀河系結(jié)構(gòu)刻畫(huà)與星際介質(zhì)演化研究提供了全新的觀測(cè)約束,也為未來(lái)探索銀河系塵埃結(jié)構(gòu)、恒星反饋、揭示銀河系大尺度結(jié)構(gòu)演化提供了良好的基礎(chǔ)。為了便于應(yīng)用,研究人員開(kāi)發(fā)了Python工具包dustmaps3d,并建設(shè)了方便使用的網(wǎng)站,網(wǎng)站提供在線查詢(xún)功能、使用三維消光圖的教程以及Python包的安裝和使用說(shuō)明(https://nadc.china-vo.org/data/dustmaps)。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金及重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目的支持。
相關(guān)論文鏈接:
1.Wang, T., Yuan, H., Chen, B., et al. 2025a, ApJS, 280, 15
2.Wang, T., Yuan, H., Chen, B., et al. 2025b, ApJS, 280, 16
3.Chen, B. Q., Huang, Y., Yuan, H. B., et al. 2019, MNRAS, 483, 4277
4.Green, G. M., Schlafly, E., Zucker, C., Speagle, J. S., & Finkbeiner, D. 2019, ApJ,887, 93
5.Edenhofer, G., Zucker, C., Frank, P., et al. 2024, A&A, 685, A82
6.Zhang, X., Green, G. M., & Rix, H.-W. 2023, MNRAS, 524, 1855
7.Reid, M. J., Menten, K. M., Brunthaler, A., et al. 2019, ApJ, 885, 131
8.O'Neill, T. J., Zucker, C., Goodman, A. A., & Edenhofer, G. 2024, ApJ, 973, 136