近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系和深空實(shí)驗室的楊睿智教授、劉冰副研究員與云南大學(xué)的李廣興教授、中山大學(xué)的崔昱東博士、德國DESY研究所的Emmadeona Wilhelmi博士以及MPIK研究所的FelixAharonian教授等天體物理領(lǐng)域的專(zhuān)家合作，對距離地球較近的巨分子云Taurus和Perseus的伽馬射線(xiàn)輻射進(jìn)行了分析研究，發(fā)現致密的分子云團塊對低能宇宙線(xiàn)有較強的“屏蔽”作用，分子云致密團塊處的宇宙線(xiàn)密度顯著(zhù)低于星際介質(zhì)中的平均值。該項研究成果作為一項重要的觀(guān)測發(fā)現于近日發(fā)表在國際期刊《自然-天文》上。

宇宙線(xiàn)(cosmic ray)是來(lái)自外太空的相對論性帶電粒子，它們與星際介質(zhì)作用產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)是追溯其起源和傳播過(guò)程的絕佳探針。作為星際介質(zhì)的重要組成部分，宇宙線(xiàn)貢獻了星際介質(zhì)大概三分之一的能量密度。尤其重要的是，在致密的分子云團塊中，宇宙線(xiàn)主導了氣體的加熱和電離過(guò)程，而恒星形成和與生命起源相關(guān)的星際化學(xué)過(guò)程正是在分子云團塊中進(jìn)行的。

如果宇宙線(xiàn)能夠自由的穿透分子云，那么望遠鏡觀(guān)測到的分子云不同區域伽馬射線(xiàn)的單位面積的流強與氣體的柱密度成簡(jiǎn)單的正相關(guān)，并且伽馬射線(xiàn)的能譜形態(tài)也應該一致。以楊睿智教授為首的合作團隊通過(guò)對費米大視場(chǎng)望遠鏡（Fermi-LAT）的觀(guān)測數據的研究分析，發(fā)現在均勻宇宙線(xiàn)分布的假設下，所得到的Fermi-LAT的伽馬射線(xiàn)殘余輻射分布圖（由觀(guān)測的伽馬光子數減去由均勻分布模型擬合所得的光子數得到，見(jiàn)圖一）上，巨分子云Taurus和Perseus中致密分子云團塊處出現了顯著(zhù)的“空洞“結構，這一結果意味著(zhù)這些致密分子云云團塊處的實(shí)際宇宙線(xiàn)密度是低于密度較低的彌散區域的宇宙線(xiàn)密度的。研究者將來(lái)自分子云的伽馬射線(xiàn)輻射拆分為與致密團塊和彌散氣體分別對應的兩種成分，結合伽馬射線(xiàn)數據和氣體密度分布數據，推導出兩種區域宇宙線(xiàn)的能譜分布（見(jiàn)圖二）。他們發(fā)現與彌散氣體中的宇宙線(xiàn)分布相比，致密團塊處的低能的（能量在～10GeV以下）宇宙線(xiàn)密度顯著(zhù)下降。

針對這一能譜特征，一種可能的解釋是宇宙線(xiàn)在分子云團塊中的擴散在要顯著(zhù)地慢于其在星際介質(zhì)中的擴散，使得低能宇宙線(xiàn)在穿透進(jìn)致密團塊之前已經(jīng)由于強烈的電離過(guò)程和非彈性散射過(guò)程損失了大部分能量，因而無(wú)法進(jìn)入最致密的區域。如卡通示意圖（圖三）所示，自身能量較高的宇宙線(xiàn)可以穿透分子云致密的核心區域，而低能宇宙線(xiàn)則因能損過(guò)快被“屏蔽”在外。被“屏蔽”的這一部分能量較低的宇宙線(xiàn)也正是主導氣體的電離與加熱，從而調控恒星形成和星際化學(xué)過(guò)程的主要成分。

該項研究首次對致密的分子云團塊內的宇宙線(xiàn)密度進(jìn)行了測量，發(fā)現了分子云密度漲落對宇宙射線(xiàn)的調制效應。研究結果有望對恒星形成和星際化學(xué)等領(lǐng)域的研究工作產(chǎn)生深遠影響。

圖一： 巨分子云Taurus和Perseus區域以氣體柱密度分布圖為伽馬射線(xiàn)分布模版擬合Fermi-LAT觀(guān)測數據得到的殘余伽馬射線(xiàn)分布圖，其中致密的團塊區域由綠色實(shí)線(xiàn)圈出

圖二：Taurus和Perseus不同區域的宇宙線(xiàn)能譜：致密團塊對應灰色斜線(xiàn)，彌散氣體為 紅色斜線(xiàn)，地球本地觀(guān)測數據為紅色實(shí)線(xiàn)。黑色、藍色和綠色實(shí)線(xiàn)是不同擴散系數假設下計算所得的分子云團塊內宇宙線(xiàn)能譜。

圖三： 不同能量的宇宙線(xiàn)進(jìn)入分子云致密核心的能力也不同，高能的可以輕松穿透，低能的大多被屏蔽在外（卡通示意圖）。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01868-9

（天文學(xué)系、科研部）