低能宇宙线在恒星诞生地“穿越失败”

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记者3月27日从中国科学技术大学了解到，该校物理学院天文学系和深空实验室的杨睿智教授、刘冰副研究员与国内外专家合作，对距离地球较近的巨分子云的伽马射线辐射进行了分析研究，发现致密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。如果宇宙线能够自由地穿透分子云，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流强与气体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。
研究团队通过对费米大视场望远镜的观测数据进行研究分析后发现，在均匀宇宙线分布的假设下，巨分子云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团块处的实际宇宙线密度低于密度较低的弥散区域宇宙线密度。结合伽马射线数据和气体密度分布数据，他们推导出两种区域宇宙线的能谱分布，并发现与弥散气体中的宇宙线分布相比，致密团块处的低能宇宙线密度显著下降。
对这一能谱特征的一种可能解释是，宇宙线在分子云团块中的扩散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区域。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。
该项研究首次对致密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。研究人员表示，该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。