近日，我院天文学系和深空实验室的杨睿智教授、刘冰副研究员与云南大学的李广兴教授、中山大学的崔昱东博士、德国DESY研究所的Emmadeona Wilhelmi博士以及MPIK研究所的FelixAharonian教授等天体物理领域的专家合作，对距离地球较近的巨分子云Taurus和Perseus的伽马射线辐射进行了分析研究，发现致密的分子云团块对低能宇宙线有较强的“屏蔽”作用，分子云致密团块处的宇宙线密度显著低于星际介质中的平均值。该项研究成果作为一项重要的观测发现于近日发表在国际期刊《自然-天文》上。
宇宙线(cosmic ray)是来自外太空的相对论性带电粒子，它们与星际介质作用产生的伽马射线是追溯其起源和传播过程的绝佳探针。作为星际介质的重要组成部分，宇宙线贡献了星际介质大概三分之一的能量密度。尤其重要的是，在致密的分子云团块中，宇宙线主导了气体的加热和电离过程，而恒星形成和与生命起源相关的星际化学过程正是在分子云团块中进行的。
如果宇宙线能够自由的穿透分子云，那么望远镜观测到的分子云不同区域伽马射线的单位面积的流强与气体的柱密度成简单的正相关，并且伽马射线的能谱形态也应该一致。以杨睿智教授为首的合作团队通过对费米大视场望远镜（Fermi-LAT）的观测数据的研究分析，发现在均匀宇宙线分布的假设下，所得到的Fermi-LAT的伽马射线残余辐射分布图（由观测的伽马光子数减去由均匀分布模型拟合所得的光子数得到，见图一）上，巨分子云Taurus和Perseus中致密分子云团块处出现了显著的“空洞“结构，这一结果意味着这些致密分子云云团块处的实际宇宙线密度是低于密度较低的弥散区域的宇宙线密度的。研究者将来自分子云的伽马射线辐射拆分为与致密团块和弥散气体分别对应的两种成分，结合伽马射线数据和气体密度分布数据，推导出两种区域宇宙线的能谱分布（见图二）。他们发现与弥散气体中的宇宙线分布相比，致密团块处的低能的（能量在～10GeV以下）宇宙线密度显著下降。
针对这一能谱特征，一种可能的解释是宇宙线在分子云团块中的扩散在要显著地慢于其在星际介质中的扩散，使得低能宇宙线在穿透进致密团块之前已经由于强烈的电离过程和非弹性散射过程损失了大部分能量，因而无法进入最致密的区域。如卡通示意图（图三）所示，自身能量较高的宇宙线可以穿透分子云致密的核心区域，而低能宇宙线则因能损过快被“屏蔽”在外。被“屏蔽”的这一部分能量较低的宇宙线也正是主导气体的电离与加热，从而调控恒星形成和星际化学过程的主要成分。
该项研究首次对致密的分子云团块内的宇宙线密度进行了测量，发现了分子云密度涨落对宇宙射线的调制效应。研究结果有望对恒星形成和星际化学等领域的研究工作产生深远影响。
图一： 巨分子云Taurus和Perseus区域以气体柱密度分布图为伽马射线分布模版拟合Fermi-LAT观测数据得到的残余伽马射线分布图，其中致密的团块区域由绿色实线圈出
图二：Taurus和Perseus不同区域的宇宙线能谱：致密团块对应灰色斜线，弥散气体为 红色斜线，地球本地观测数据为红色实线。黑色、蓝色和绿色实线是不同扩散系数假设下计算所得的分子云团块内宇宙线能谱。
图三： 不同能量的宇宙线进入分子云致密核心的能力也不同，高能的可以轻松穿透，低能的大多被屏蔽在外（卡通示意图）。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-022-01868-9
（天文学系、科研部）