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的伽馬射線輻射進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)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(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(qū)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(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隊通過對費米大視場望遠鏡（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(zhì)中的擴散，使得低能宇宙線在穿透進致密團塊之前已經(jīng)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(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塊內(nèi)的宇宙線密度進行了測量,，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,、藍色和綠色實線是不同擴散系數(shù)假設(shè)下計算所得的分子云團塊內(nèi)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(xué)系,、科研部）