När vi observerar avlägsna himlakroppar finns det en möjlig hake: Är den stjärna jag observerar verkligen så rödaktig som den ser ut att vara? Eller ser stjärnan bara rödaktig ut eftersom dess ljus har varit tvunget att färdas genom ett moln av kosmiskt stoft för att nå vårt teleskop?
För att kunna göra korrekta observationer måste astronomerna veta hur mycket stoft som finns mellan dem och deras avlägsna mål. Stoftet gör inte bara att objekten ser rödaktiga ut (”reddening”), det gör också att de ser svagare ut än de egentligen är (”extinction”). Det är som om vi tittar ut i rymden genom ett smutsigt fönster. Nu har två astronomer publicerat en 3D-karta som dokumenterar egenskaperna hos damm runt omkring oss i en aldrig tidigare skådad detalj, vilket hjälper oss att förstå vad vi observerar.
Forskningen publiceras i tidskriften Science.
Bakom detta ligger det faktum att det lyckligtvis finns ett sätt att rekonstruera effekten av damm när man tittar på stjärnor. Kosmiska dammpartiklar absorberar och sprider inte ljus jämnt över alla våglängder. Istället absorberar de ljuset starkare vid kortare våglängder (mot den blå änden av spektrumet) och mindre starkt vid längre våglängder (mot den röda änden).
Våglängdsberoendet kan plottas som en ”utsläckningskurva”, och dess form ger information inte bara om stoftets sammansättning utan också om dess lokala miljö, till exempel mängden och egenskaperna hos strålningen i de olika regionerna i den interstellära rymden.
Hämta information om stoft från 130 miljoner spektra
Det är den här typen av information som Xiangyu Zhang, doktorand vid Max Planck-institutet för astronomi (MPIA), och Gregory Green, ledare för en oberoende forskningsgrupp (Sofia Kovalevskaja-gruppen) vid MPIA och Zhangs doktorandhandledare, har använt för att konstruera den hittills mest detaljerade 3D-kartan över stoftets egenskaper i Vintergatan.
Zhang och Green använde sig av data från ESA:s Gaia-uppdrag, ett 10,5-årigt försök att göra extremt noggranna mätningar av positioner, rörelser och andra egenskaper hos mer än en miljard stjärnor i Vintergatan och i våra närmaste galaktiska grannar, de Magellanska molnen. Den tredje datareleasen (DR3) från Gaia-uppdraget, som publicerades i juni 2022, innehåller 220 miljoner spektra, och en kvalitetskontroll visade Zhang och Green att cirka 130 miljoner av dessa skulle vara lämpliga för deras sökning efter stoft.
Gaias spektra är lågupplösta. Det vill säga att det sätt på vilket de separerar ljus i olika våglängdsområden är jämförelsevis grovt. De två astronomerna hittade en väg runt den begränsningen: För 1 % av deras utvalda stjärnor finns det högupplöst spektroskopi från LAMOST-undersökningen som drivs av National Astronomical Observatories of China. Detta ger tillförlitlig information om de grundläggande egenskaperna hos stjärnorna i fråga, t.ex. deras yttemperaturer, som avgör vad astronomerna kallar en stjärnas ”spektraltyp”.
Rekonstruktion av en 3D-karta
Zhang och Green tränade ett neuralt nätverk för att generera modellspektra baserade på en stjärnas egenskaper och egenskaperna hos det mellanliggande dammet. De jämförde resultaten med 130 miljoner lämpliga spektra från Gaia och använde statistiska (bayesianska) tekniker för att härleda egenskaperna hos dammet mellan oss och dessa 130 miljoner stjärnor.
Resultaten gjorde det möjligt för astronomerna att rekonstruera den första detaljerade, tredimensionella kartan över stoftets utsläckningskurva i Vintergatan. Kartan möjliggjordes genom Zhangs och Greens mätning av utsläckningskurvan mot ett aldrig tidigare skådat antal stjärnor – 130 miljoner, jämfört med tidigare arbeten som innehöll cirka 1 miljon mätningar.
Men damm är inte bara ett irritationsmoment för astronomer. Det är viktigt för stjärnbildningen, som sker i gigantiska gasmoln som skyddas av sitt stoft från den omgivande strålningen. När stjärnor bildas omges de av skivor av gas och stoft, som är planeternas födelseplatser. Själva stoftkornen är byggstenarna till det som så småningom kommer att bli de fasta kropparna hos planeter som vår jord. Faktum är att i vår galax interstellära medium är de flesta grundämnen som är tyngre än väte och helium inlåsta i interstellära stoftkorn.
Oväntade egenskaper hos kosmiskt stoft
De nya resultaten ger inte bara en exakt 3D-karta. De har också visat på en överraskande egenskap hos interstellära stoftmoln. Tidigare hade man förväntat sig att utsläckningskurvan skulle bli flackare (mindre beroende av våglängden) för regioner med högre stofttäthet. ”Högre densitet” är naturligtvis – i det här fallet – fortfarande väldigt lite. Ungefär tio miljarddelar av en miljarddels gram damm per kubikmeter, vilket motsvarar bara 10 kg damm i en sfär med jordens radie. I sådana regioner tenderar dammkorn att växa i storlek, vilket förändrar de övergripande absorptionsegenskaperna.
Istället fann astronomerna att i områden med mellanliggande densitet blir utsläckningskurvan faktiskt brantare, med mindre våglängder som absorberas mycket mer effektivt än längre våglängder. Zhang och Green antar att den branta kurvan kan orsakas av tillväxten, inte av damm, utan av en klass av molekyler som kallas polycykliska aromatiska kolväten (PAH), de vanligaste kolvätena i det interstellära mediet, som till och med kan ha spelat en roll i livets uppkomst. De har redan börjat testa sin hypotes med hjälp av framtida observationer.
För mer information: Xiangyu Zhang, Tredimensionella kartor över kurvan för utrotning av interstellärt damm i Vintergatan, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado9787. www.science.org/doi/10.1126/science.ado9787
