近日，中國(guó)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(yàn)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(guó)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(duì)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(xiàn)致密的分子云團(tuán)塊對(duì)低能宇宙線(xiàn)有較強(qiáng)的“屏蔽”作用，分子云致密團(tuán)塊處的宇宙線(xiàn)密度顯著低于星際介質(zhì)中的平均值。該項(xiàng)研究成果作為一項(xiàng)重要的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)于近日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然-天文》上。

宇宙線(xiàn)(cosmic ray)是來(lái)自外太空的相對(duì)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(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(xiàn)主導(dǎo)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(tuán)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(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)到的分子云不同區(qū)域伽馬射線(xiàn)的單位面積的流強(qiáng)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(yīng)該一致。以楊睿智教授為首的合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)費(fèi)米大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡（Fermi-LAT）的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)在均勻宇宙線(xiàn)分布的假設(shè)下，所得到的Fermi-LAT的伽馬射線(xiàn)殘余輻射分布圖（由觀(guān)測(cè)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(jiàn)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(shí)際宇宙線(xiàn)密度是低于密度較低的彌散區(qū)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(tuán)塊和彌散氣體分別對(duì)應(yīng)的兩種成分，結(jié)合伽馬射線(xiàn)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(xiàn)的能譜分布（見(jiàn)圖二）。他們發(fā)現(xiàn)與彌散氣體中的宇宙線(xiàn)分布相比，致密團(tuán)塊處的低能的（能量在～10GeV以下）宇宙線(xiàn)密度顯著下降。

針對(duì)這一能譜特征，一種可能的解釋是宇宙線(xiàn)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(xiàn)在穿透進(jìn)致密團(tuán)塊之前已經(jīng)由于強(qiáng)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(qū)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(qū)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(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(guò)程的主要成分。

該項(xiàng)研究首次對(duì)致密的分子云團(tuán)塊內(nèi)的宇宙線(xiàn)密度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了分子云密度漲落對(duì)宇宙射線(xiàn)的調(diào)制效應(yīng)。研究結(jié)果有望對(duì)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(xiàn)分布模版擬合Fermi-LAT觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的殘余伽馬射線(xiàn)分布圖，其中致密的團(tuán)塊區(qū)域由綠色實(shí)線(xiàn)圈出

圖二：Taurus和Perseus不同區(qū)域的宇宙線(xiàn)能譜：致密團(tuán)塊對(duì)應(yīng)灰色斜線(xiàn)，彌散氣體為 紅色斜線(xiàn)，地球本地觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為紅色實(shí)線(xiàn)。黑色、藍(lán)色和綠色實(shí)線(xiàn)是不同擴(kuò)散系數(shù)假設(shè)下計(jì)算所得的分子云團(tuán)塊內(nèi)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）