Когда на моём графике появляется дыра, первым я всегда подозреваю конвейер данных. Фильтр, который выкинул строки, или пачка, которая не доехала. В июне вышел Gaia DR3 с положениями 1,8 миллиарда источников. Если посчитать их на квадратный градус, на карте вдоль всего Млечного Пути видны чёрные пятна. Ответ из учебника я знаю. Это облака пыли перед звёздами. Но в числах я этого никогда не видел и не знал, что по тому же каталогу можно понять, как далеко эта пыль. Я хотел проверить и то и другое только по открытому архиву.
Всё это запросы ADQL к архиву Gaia в ESA и около 230 строк на Python с numpy и scipy. В том же архиве лежит и каталог точечных источников 2MASS.
Одно маленькое облако
Barnard 68 это тёмное облако в Змееносце размером в несколько угловых минут. Я взял все звёзды Gaia в пределах 15 угловых минут от его центра и посчитал их по кольцам. Между 6 и 15 минутами на квадратную угловую минуту приходится 223 звезды. При такой плотности в пределах полуминуты от центра должно быть 175 звёзд. Там 0. В пределах 1 минуты 9 звёзд из 700 ожидаемых, это 1,3%. Все 9 слабее G = 19.
Настоящий пробел между звёздами выглядел бы в Gaia так же. Отличить одно от другого помогает цвет. Пыль поглощает синий свет гораздо сильнее инфракрасного, поэтому обзор в ближнем ИК должен видеть сквозь неё лучше. 2MASS снимает на длинах волн от 1,2 до 2,2 микрона. В пределах той же полуминуты у него 7 звёзд из 17 ожидаемых, это 41%. В пределах 1 минуты 33 из 68.
Звёзды, которые 2MASS ещё видит, к тому же красные. Медиана цвета H−Ks в центре 0,91 против 0,21 в поле вокруг. По закону поглощения Rieke и Lebofsky 1985 года это около 11 звёздных величин в полосе V. Звезда за облаком в видимом свете примерно в 25 000 раз слабее. Самая красная звезда даёт около 26 величин. И это только звёзды, которые пробились насквозь, середина облака темнее и 2MASS сквозь неё не видит. Alves с соавторами подробно картировали это облако в 2001 году по гораздо более глубоким инфракрасным снимкам.
Где оно
Я собирался взять звёзды вокруг Barnard 68 с хорошими параллаксами и найти ближайшую покрасневшую. Не вышло. В пределах 1,2 минуты у Gaia 23 звезды и у 13 из них есть параллакс. Мне нужны звёзды перед облаком, а ни про одну из 13 нельзя показать, что она ближе 1 кпк. При строгом отборе в пределах 1,5 минуты стоит ждать всего 0,18 звезды переднего плана. Так что для такого маленького облака план был неверным с самого начала.
Тогда я отъехал подальше. Barnard 68 это одно из маленьких тёмных ядер на краю куда большего облака, туманности Трубка. Я посчитал все звёзды Gaia в прямоугольнике 9 на 8 градусов вокруг неё, это 47 миллионов звёзд в 7200 клетках по 0,1 градуса. Клетка тёмная, если в ней меньше 40% от медианы квадрата 2 на 2 градуса вокруг неё. Светлая, если больше 90%. Получилось 5108 светлых клеток и 145 тёмных, самые большие группы тёмных лежат на Barnard 59 и на широкой части Трубки. Потом я сравнил тёмные и светлые клетки по расстоянию. Для этого оставил звёзды с параллаксом больше 1,5 mas и ошибкой меньше 10%, то есть ближе примерно 670 пк.
Первый результат был бессмыслицей. Ближе 100 пк у светлых клеток вышло 130 звёзд на квадратный градус, а у тёмных 9, в 14 раз меньше. Пыль не может спрятать звезду, которая стоит перед ней. Да и 130 слишком много. На всём небе ближе 100 пк около 8 звёзд на квадратный градус. Я какое-то время копался в отборе клеток, прежде чем посмотрел на сами звёзды. В прямоугольнике было 7526 “звёзд ближе 100 пк”. 6678 из них слабее G = 19 и у 4513 плохое астрометрическое решение (RUWE больше 1,4). В сторону центра Галактики звёзды стоят очень плотно, слабые там получают неверные параллаксы и в плотных светлых клетках их больше. Я выкинул звёзды слабее 19 и с RUWE больше 1,4. Отбор по качеству пропустил я сам.
После отбора плотность в тёмных клетках в каждом бине до 200 пк составляет от 0,77 до 1,09 от плотности светлых. Звёзд там у тёмных клеток всего 61, так что это шумно. Дальше 200 пк от 0,56 до 0,70. По подсчётам пыль стоит где-то ближе 200 пк. Больше они ничего не говорят.
Ступенька
Gaia ещё и оценивает поглощение A_G для большинства звёзд ярче G = 19. Конвейер GSP-Phot берёт его из спектра BP/RP низкого разрешения вместе с параллаксом. Абсолютным значениям я не очень доверяю. Перед облаком они около 0,5 величины. Для звёзд на 100 пк это выглядит слишком много. Но перемена видна ясно. В тёмных клетках медиана A_G от 0,44 до 0,65 в каждом бине ближе 160 пк, от 4 до 9 звёзд в бине. Дальше 160 пк она от 1,62 до 2,28. В светлых клетках она растёт медленно, примерно с 0,5 до 0,7 между 100 и 300 пк.
Я подобрал одну ступеньку по 220 звёздам тёмных клеток между 80 и 400 пк. Она встаёт на 157 пк, между двумя звёздами на 156,9 и 158,4 пк. A_G растёт с 0,52 до 1,95. На 2000 выборках бутстрэпа 95% ступенек лежат между 149 и 185 пк. На светлых клетках тот же подбор настоящей ступеньки не находит, лучшая поднимается с 0,58 до 0,78 на 255 пк.
Lombardi с соавторами в 2006 году получили для Трубки около 130 пк по параллаксам Hipparcos и Tycho, с большой погрешностью. Alves и Franco в 2007 году получили 145 ± 16 пк. Dzib с соавторами в 2018 году измерили расстояние по молодым звёздам внутри Barnard 59 по данным Gaia DR2 и получили 163 ± 5 пк. Ближе всего к моему способу работа Zucker с соавторами 2020 года, параллаксы Gaia DR2 плюс фотометрия. У них для той же части Трубки 180 пк. Значит, мои 157 рядом с Dzib и на 23 пк не дотягивают до Zucker, хотя 180 всё ещё внутри моего интервала. Ничего нового тут нет. Звёзды на фоне тёмного облака считал ещё Max Wolf в 1923 году, а расстояния выше это работа лучше моей. Но я не ожидал, что нескольких запросов к архиву и подгонки одной ступеньки хватит, чтобы попасть в тот же диапазон.
Чего я не проверял
Тёмные клетки выбраны по подсчётам звёзд той же Gaia, а не по независимой карте пыли. Звёзды перед облаком составляют малую долю всех, поэтому сильно сдвинуть отбор не должны. Но это допущение. A_G из GSP-Phot это модельная оценка со своими систематическими ошибками и я использую её только как относительную меру. Ближе 157 пк в тёмных клетках всего 19 звёзд с A_G, так что уровень “до” стоит на очень малом числе точек. Отдельно по частям Трубки ступеньку я не подбирал. Для Barnard 68 у меня нет расстояния вообще, только доказательство, что это пыль. А поглощение в его центре по 2MASS это нижняя граница, потому что в самой тёмной части звёзд не видно вовсе.