科研成果｜姜碧沩教授团队绘制出首张银河系水冰二维分布图

银河系中不仅有数量众多的恒星，恒星之间的广袤空间里还弥漫着大量气体和尘埃，统称为星际介质。这些物质会在一些区域聚集形成致密云团，成为恒星的“育儿所”。在远离星际辐射、温度极低的适宜环境中，星际介质中的一些分子会凝结在微小尘埃颗粒表面，形成成分各异的冰层，常见的有水、二氧化碳和一氧化碳冰等。这些星际冰虽然难以直接探测，却是星际化学的重要参与者：它们不仅是分子云物质循环的一部分，其表面更是合成复杂有机分子的关键“工作台”。因此，分子冰是认识分子云环境的重要线索，在多种多样的分子冰中，最常见的就是水冰。过去，天文学家主要依靠3微米红外光谱中的水冰吸收特征，逐颗确认背景恒星视线方向上是否存在水冰。这种方法虽然精确，却只能获得零散的“单点”检测，难以描绘大范围的分布图景。迄今为止，水冰在银河系中的整体分布仍是一个未解之谜。

我院姜碧沩教授指导博士生曹哲泰和合作者提出了一种新的水冰探测方法，使用测光数据而非光谱数据，便可测量水冰吸收强度。这一创新充分利用了红外空间望远镜WISE的W1波段特性，即：虽然其中心波长为3.35微米，但是，作为一个宽带滤光片，很有效地覆盖了水冰在2.6-3.5微米范围的吸收特征。由于测光数据比光谱出色得多的深度和天区覆盖，他们使用全天测光巡天数据，首次绘制出了银河系的水冰二维分布图。

研究团队综合2MASS和WISE两项全天红外巡天数据，根据测光质量和计算准确度筛选出高质量样本恒星，作为示踪水冰分布的“探针”，用于探测恒星视线方向上的水冰的吸收强度。具体来说，一颗背景恒星的观测颜色同时受到恒星自身内秉颜色、星际尘埃消光，以及尘埃表面水冰吸收三种因素的影响。研究团队先利用多个红外波段估计尘埃造成的影响，再推断恒星的内秉色指数；将这两部分影响从观测颜色中扣除后，剩余的额外吸收便可视为水冰吸收在 W1波段留下的信号。随后，研究人员将每颗恒星的结果按照天空位置进行加权平滑，得到分辨率约7角分的水冰二维地图。与已有红外光谱观测的比较表明，测光方法得到的信号与传统光谱方法测得的水冰柱密度高度一致，有力证实了该测光方法的可靠性。

这项工作首次给出了整个银河系的较强水冰消光的分布图，同时绘制了一些著名的分子云区域的水冰吸收的细节图，水冰信号与致密分子云结构密切对应。除此之外，得到了大小麦哲伦云中的水冰初步分布。另一方面，这项工作发现，水冰的强度并不唯一地由消光强度决定，其存在的阈值也有待准确测定。未来，这张“宇宙冰库”分布图可与尘埃温度、气体和辐射场等的分布结合，为研究分子云演化和恒星形成提供新的化学线索。尽管已经有专门为研究星际冰而设计的SPHEREx项目，由于这项工作的方法充分利用了测光的优势，结合更深、更高分辨率的数据，有望扩展到更遥远、更致密的区域或是其他类型的星际冰的研究中。

相关文章已经被欧洲权威天文杂志Astronomy & Astrophysics接受，第一作者为北京师范大学物天学院的曹哲泰同学，通讯作者为其导师姜碧沩教授，合作者还有维也纳大学Stefan Meingast博士。本工作得到国家自然科学基金12133002和留学基金委基金202406040156项目的支持。

文章链接：https://arxiv.org/pdf/2606.01088