北京时间3月14日，国际科学期刊《科学》以封面文章的形式发表了德国马克斯·普朗克研究所的中国博士生张翔宇与其导师Gregory Green博士合作完成的一项重大成果。基于国家天文台建设运行的大科学装置LAMOST获取的银河系恒星的精确参数和恒星类型多样性，研究人员依托LAMOST数据训练的模型，结合Gaia卫星获取的数据，构建了世界上第一个亿星级消光数据库，发布了首幅覆盖全天的银河系三维尘埃消光规律图，首次实现了银河系三维尘埃分布与消光曲线的同步测绘，为天文观测提供了重要参考。新观测的消光分布特征挑战了传统的尘埃演化理论，这或许暗示着星际有机物的某种“生长”机制。
星际尘埃示意图，Credit: OPENVERSE
星际介质是存在于恒星之间空间中的物质和能量的统称，是银河系中物质循环的重要一环，也是太阳等恒星的“诞生地”。星际介质中大部分比氢和氦更重的元素都以固体小颗粒——尘埃的形式存在。尘埃会吸收和散射星光，使得远处的星显得更暗、更红。这种现象被称为“消光效应”(Extinction)。大部分的天文观测都需要进行消光矫正。
消光对不同波长的光是不同的：蓝光的消光一般高于红光。消光随光的波长变化的特征（消光曲线）既是精确天文观测的必需，也是研究尘埃的理化性质（尺寸、成分）和星际介质环境（温度、磁场）的关键观测量。然而传统的尘埃研究长期面临两难困境：高精度光谱巡天数据，往往不能覆盖全天，难以将尘埃纳入银河系演化的框架来考虑；而依靠测光的全天观测，又很难捕捉消光曲线的变化。这导致天文学家在开展相关研究时不得不假设：全银河系的尘埃消光曲线都相同。这就给宇宙学、系外行星等研究埋下系统性误差的隐患。
这项发表在《科学》的工作突破了这一困境。张翔宇将“光谱之王”LAMOST测定的精确恒星参数，与Gaia卫星低分辨率光谱巡天联系起来，最终实现了对1.3亿颗恒星消光曲线和恒星参数的同时反推，构建出了首幅覆盖全天的、深度可达16308光年左右的银河系三维尘埃消光曲线规律分布图。
这一里程碑式成果得益于LAMOST的独特优势：LAMOST大视场多目标光谱获取能力，使研究者获得了大量银盘内的处于中、高消光区恒星的准确参数，LAMOST观测数据广泛覆盖了多种恒星类型，使得依托LAMOST数据训练的模型可以被应用于超过1亿颗拥有低分辨率光谱的恒星，极大地拓展了尘埃图的广度和深度。
这项突破性成果将迄今已测量的银河系恒星视线数提高了两个数量级，建成了迄今世界上第一个亿星级的消光数据库；第一次实现了银河系三维尘埃分布与消光曲线的同步测绘。
该成果创建的三维尘埃立体图覆盖了巨大空间尺度，使得将尘埃理化性质纳入银河系演化的大框架成为可能，揭示了尘埃性质与恒星形成、银河系结构的紧密关联。如图二所示，研究者发现，银河系中的恒星形成区的消光曲线更加平坦，揭示出该区域尘埃颗粒的生长、聚合而形成更大尘埃的过程，而银河系中心方向的消光曲线却更加陡峭，显示该区域可能存在的特殊物理、化学环境致使尘埃颗粒普遍较小，为天体化学、星系演化等研究提供了重要目标。
以太阳为中心，半径2.6 kpc (8481光年) 以内的银盘上尘埃消光特性分布。银河系中心的方向如箭头所示。由参数R(V)表示。R(V)越大，代表消光曲线越平坦，R(V)越小代表消光曲线越陡峭。紫色的点代表O类恒星，该恒星的富集区标志着活跃的恒星形成区，在图上往往拥有比较平坦的消光曲线。
传统理论认为，越靠近尘埃云中心的区域，尘埃密度越高，尘埃颗粒会由于吸积和聚合等机制“长大”，导致尘埃的消光效应逐渐与波长无关，消光曲线也会越来越平坦。研究人员新观测到的尘埃分布现象却与上述传统结论截然相反：在不少尘埃云附近，随着尘埃密度从较低上升到中等，消光曲线反而更“陡峭”了。这挑战了基于传统理论的认识。研究人员认为，这或许暗示了一种星际有机物（稠环芳香烃，PAH）的某种“生长”机制。
尘埃是地球等行星的“建筑材料”，也是银河化学演化的重要参与者和催化剂。新发布的三维尘埃消光特性图打开了一面全新的研究尘埃与银河系的窗口，既为天文观测提供了重要参考，也给天体化学、恒星形成和银河碳循环、生命起源等问题的研究提供了全新的角度与无限的可能。
LAMOST是我国自主研制的首个天文类重大科技基础设施，已构建了目前国际上天区覆盖最完备、巡天体积和采样密度最大、统计一致性最好、样本数量最多的天文数据集。多达两千万的光谱数据已向国际开放共享，发布光谱数据量连续十余年居世界第一。LAMOST光谱数据库已逐步完成了与国际天文界主要数据库的互联互通，实现了国际化的开放共享，不仅拓宽了LAMOST数据的使用范围，且更大程度发挥了LAMOST大样本优势。
LAMOST的科学产出正处于国际大型（6-10米）天文望远镜的先进行列，发表高质量论文1900余篇。LAMOST助力天文学家在研究银河系结构和演化、恒星物理、特殊天体搜寻等方面取得了一批刷新纪录、提高量级的重大突破：包括揭示银河系早期形成和演化历史；发现超大质量黑洞和处于质量间隙的小黑洞；揭示中等质量黑洞存在的证据；发现第一代恒星的化学遗迹；揭示恒星初始质量函数变化规律等，推动诸多前沿领域的研究取得国际领先优势。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9787