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)域的專家合作，對距離地球較近的巨分子云Taurus和Perseus的伽馬射線輻射進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)致密的分子云團(tuán)塊對低能宇宙線有較強(qiáng)的“屏蔽”作用，分子云致密團(tuán)塊處的宇宙線密度顯著低于星際介質(zhì)中的平均值。該項研究成果作為一項重要的觀測發(fā)現(xiàn)于近日發(fā)表在國際期刊《自然-天文》上。

宇宙線(cosmic ray)是來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)生的伽馬射線是追溯其起源和傳播過程的絕佳探針。作為星際介質(zhì)的重要組成部分，宇宙線貢獻(xiàn)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(tuán)塊中，宇宙線主導(dǎo)了氣體的加熱和電離過程，而恒星形成和與生命起源相關(guān)的星際化學(xué)過程正是在分子云團(tuán)塊中進(jìn)行的。

如果宇宙線能夠自由的穿透分子云，那么望遠(yuǎn)鏡觀測到的分子云不同區(qū)域伽馬射線的單位面積的流強(qiáng)與氣體的柱密度成簡單的正相關(guān)，并且伽馬射線的能譜形態(tài)也應(yīng)該一致。以楊睿智教授為首的合作團(tuán)隊通過對費(fèi)米大視場望遠(yuǎn)鏡（Fermi-LAT）的觀測數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)在均勻宇宙線分布的假設(shè)下，所得到的Fermi-LAT的伽馬射線殘余輻射分布圖（由觀測的伽馬光子數(shù)減去由均勻分布模型擬合所得的光子數(shù)得到，見圖一）上，巨分子云Taurus和Perseus中致密分子云團(tuán)塊處出現(xiàn)了顯著的“空洞“結(jié)構(gòu)，這一結(jié)果意味著這些致密分子云云團(tuán)塊處的實際宇宙線密度是低于密度較低的彌散區(qū)域的宇宙線密度的。研究者將來自分子云的伽馬射線輻射拆分為與致密團(tuán)塊和彌散氣體分別對應(yīng)的兩種成分，結(jié)合伽馬射線數(shù)據(jù)和氣體密度分布數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出兩種區(qū)域宇宙線的能譜分布（見圖二）。他們發(fā)現(xiàn)與彌散氣體中的宇宙線分布相比，致密團(tuán)塊處的低能的（能量在～10GeV以下）宇宙線密度顯著下降。

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

該項研究首次對致密的分子云團(tuán)塊內(nèi)的宇宙線密度進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)了分子云密度漲落對宇宙射線的調(diào)制效應(yīng)。研究結(jié)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(yuǎn)影響。

圖一： 巨分子云Taurus和Perseus區(qū)域以氣體柱密度分布圖為伽馬射線分布模版擬合Fermi-LAT觀測數(shù)據(jù)得到的殘余伽馬射線分布圖，其中致密的團(tuán)塊區(qū)域由綠色實線圈出

圖二：Taurus和Perseus不同區(qū)域的宇宙線能譜：致密團(tuán)塊對應(yīng)灰色斜線，彌散氣體為 紅色斜線，地球本地觀測數(shù)據(jù)為紅色實線。黑色、藍(lán)色和綠色實線是不同擴(kuò)散系數(shù)假設(shè)下計算所得的分子云團(tuán)塊內(nèi)宇宙線能譜。

圖三： 不同能量的宇宙線進(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）