Грязное окно астрономии в космос: подробная карта пыли в Млечном Пути

Красный цвет обозначает области, где затухание падает быстрее на длинных волнах (красный конец спектра), а синий цвет указывает на то, что затухание меньше зависит от длины волны. Области с недостаточными данными показаны белым цветом. Серые контуры охватывают области с высокой плотностью пыли. Автор: X. Zhang/G. Green, MPIA

Когда мы наблюдаем далекие небесные объекты, возможна загвоздка: действительно ли та звезда, которую я наблюдаю, такая красноватая, какой она кажется? Или звезда просто выглядит красноватой, поскольку ее свет должен был пройти через облако космической пыли, чтобы достичь нашего телескопа?

Для точных наблюдений астрономам необходимо знать количество пыли между ними и их далекими целями. Пыль не только заставляет объекты казаться красноватыми («покраснение»), но и делает их более тусклыми, чем они есть на самом деле («вымирание»). Это как будто мы смотрим в космос через грязное окно. Теперь два астронома опубликовали 3D-карту, которая документирует свойства пыли вокруг нас в беспрецедентных подробностях, помогая нам понять то, что мы наблюдаем.

Исследование опубликовано в журнале Science.

За этим стоит тот факт, что, к счастью, при наблюдении за звездами существует способ реконструкции эффекта пыли. Частицы космической пыли не поглощают и не рассеивают свет равномерно по всем длинам волн. Вместо этого они поглощают свет сильнее на более коротких длинах волн (в сторону синего конца спектра) и слабее на более длинных (в сторону красного конца).

Зависимость от длины волны можно изобразить в виде «кривой затухания», а ее форма дает информацию не только о составе пыли, но и о ее локальном окружении, например, о количестве и свойствах излучения в различных областях межзвездного пространства.

Получение информации о пыли из 130 миллионов спектров

Именно такую информацию использовали Сянъюй Чжан, аспирант Института астрономии Макса Планка (MPIA), и Грегори Грин, руководитель независимой исследовательской группы (группа Софии Ковалевской) в MPIA и научный руководитель Чжана, для построения самой подробной на сегодняшний день трехмерной карты свойств пыли в галактике Млечный Путь.

Чжан и Грин обратились к данным миссии Gaia ЕКА, которая представляла собой 10,5-летнюю работу по получению чрезвычайно точных измерений положений, движений и дополнительных свойств более миллиарда звезд в нашем Млечном Пути и в наших ближайших галактических соседях, Магеллановых Облаках. Третий выпуск данных (DR3) миссии Gaia, опубликованный в июне 2022 года, содержит 220 миллионов спектров, и проверка качества показала Чжану и Грину, что около 130 миллионов из них подойдут для их поиска пыли.

Спектры Gaia имеют низкое разрешение. То есть, способ, которым они разделяют свет на различные диапазоны длин волн, сравнительно груб. Двое астрономов нашли способ обойти это ограничение: для 1% выбранных ими звезд имеется спектроскопия высокого разрешения из обзора LAMOST, проводимого Национальными астрономическими обсерваториями Китая. Это дает надежную информацию об основных свойствах рассматриваемых звезд, таких как температура их поверхности, которая определяет то, что астрономы называют «спектральным типом» звезды.

Реконструкция 3D-карты

Чжан и Грин обучили нейронную сеть генерировать модельные спектры на основе свойств звезды и свойств промежуточной пыли. Они сравнили результаты со 130 миллионами подходящих спектров от Gaia и использовали статистические (байесовские) методы для выведения свойств пыли между нами и этими 130 миллионами звезд.

Результаты позволили астрономам реконструировать первую подробную трехмерную карту кривой поглощения пыли в Млечном Пути. Эта карта стала возможной благодаря измерению Чжаном и Грином кривой поглощения в направлении беспрецедентного количества звезд — 130 миллионов, по сравнению с предыдущими работами, которые содержали около 1 миллиона измерений.

Но пыль — это не просто неприятность для астрономов. Она важна для звездообразования, которое происходит в гигантских газовых облаках, защищенных пылью от окружающего излучения. Когда звезды формируются, они окружены дисками газа и пыли, которые являются местами рождения планет. Сами пылинки являются строительными блоками для того, что в конечном итоге станет твердыми телами планет, таких как наша Земля. Фактически, в межзвездной среде нашей галактики большинство элементов тяжелее водорода и гелия заперты в межзвездных пылинках.

Неожиданные свойства космической пыли

Новые результаты не только дают точную 3D-карту. Они также выявили удивительное свойство межзвездных пылевых облаков. Ранее ожидалось, что кривая поглощения должна стать более плоской (меньше зависеть от длины волны) для регионов с более высокой плотностью пыли. «Более высокая плотность», конечно, в данном случае все еще очень мала. Примерно десять миллиардных миллиардных грамма пыли на кубический метр, что эквивалентно всего 10 кг пыли в сфере с радиусом Земли. В таких регионах пылевые частицы имеют тенденцию увеличиваться в размерах, что изменяет общие поглощающие свойства.

Вместо этого астрономы обнаружили, что в областях средней плотности кривая поглощения на самом деле становится круче, причем меньшие длины волн поглощаются гораздо эффективнее, чем более длинные. Чжан и Грин предполагают, что кручение может быть вызвано ростом не пыли, а класса молекул, называемых полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), наиболее распространенными углеводородами в межзвездной среде, которые, возможно, даже сыграли роль в зарождении жизни. Они уже приступили к проверке своей гипотезы с помощью будущих наблюдений.

Больше информации: Xiangyu Zhang, Three-dimensional maps of the interstellar dust extinction curve within the Milky Way galaxy, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado9787. www.science.org/doi/10.1126/science.ado9787

Источник: Max Planck Society