近日，中國科學技術大學物理學院天文學系和深空實驗室的楊睿智教授、劉冰副研究員與云南大學的李廣興教授、中山大學的崔昱東博士、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的伽馬射線輻射進行了分析研究，發現致密的分子云團塊對低能宇宙線有較強的“屏蔽”作用，分子云致密團塊處的宇宙線密度顯著低于星際介質中的平均值。該項研究成果作為一項重要的觀測發現于近日發表在國際期刊《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，它們與星際介質作用產生的伽馬射線是追溯其起源和傳播過程的絕佳探針。作為星際介質的重要組成部分，宇宙線貢獻了星際介質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，宇宙線主導了氣體的加熱和電離過程，而恒星形成和與生命起源相關的星際化學過程正是在分子云團塊中進行的。

如果宇宙線能夠自由的穿透分子云，那么望遠鏡觀測到的分子云不同區域伽馬射線的單位面積的流強與氣體的柱密度成簡單的正相關，并且伽馬射線的能譜形態也應該一致。以楊睿智教授為首的合作團隊通過對費米大視場望遠鏡（Fermi-LAT）的觀測數據的研究分析，發現在均勻宇宙線分布的假設下，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減去由均勻分布模型擬合所得的光子數得到，見圖一）上，巨分子云Taurus和Perseus中致密分子云團塊處出現了顯著的“空洞“結構，這一結果意味著這些致密分子云云團塊處的實際宇宙線密度是低于密度較低的彌散區域的宇宙線密度的。研究者將來自分子云的伽馬射線輻射拆分為與致密團塊和彌散氣體分別對應的兩種成分，結合伽馬射線數據和氣體密度分布數據，推導出兩種區域宇宙線的能譜分布（見圖二）。他們發現與彌散氣體中的宇宙線分布相比，致密團塊處的低能的（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塊中的擴散在要顯著地慢于其在星際介質中的擴散，使得低能宇宙線在穿透進致密團塊之前已經由于強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可以穿透分子云致密的核心區域，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氣體的電離與加熱，從而調控恒星形成和星際化學過程的主要成分。

該項研究首次對致密的分子云團塊內的宇宙線密度進行了測量，發現了分子云密度漲落對宇宙射線的調制效應。研究結果有望對恒星形成和星際化學等領域的研究工作產生深遠影響。

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分布模版擬合Fermi-LAT觀測數據得到的殘余伽馬射線分布圖，其中致密的團塊區域由綠色實線圈出

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

圖三： 不同能量的宇宙線進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

（天文學系、科研部）