LHAASO用巨分子云“照见”银河系宇宙线

近日，研究团队利用大型高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的长期观测数据，对太阳系附近五个巨分子云的伽马射线辐射开展研究，首次通过堆叠分析在甚高能至超高能能段探测到来自这些巨分子云的伽马射线信号，为研究银河系宇宙线的分布、能谱及其传播提供了新的观测手段。相关成果于2026年9月24日在线发表在国际天文学期刊《Nature Astronomy》。通讯作者包括中国科学技术大学杨睿智教授、李剑教授，河南师范大学青年教师于艳红，香港中文大学博士后曹文羽和紫金山天文台博士后张瑞。

宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子。在银河系磁场中传播时，它们的运动方向会不断发生偏转，因此难以仅凭到达方向直接追溯其起源。宇宙线与星际气体碰撞时会产生伽马射线，而伽马射线不带电，能够近似沿直线传播。巨分子云富含致密气体和尘埃，因而可以充当天然的“宇宙线探测器”：通过测量分子云产生的伽马射线，可以间接探测其所在区域的宇宙线。

本研究选取了太阳系1千秒差距范围内、位于较高银纬且处于LHAASO视场内的五个巨分子云——Hercules、Monoceros、Orion、Perseus和Taurus。研究团队分别使用了LHAASO水切伦科夫探测器阵列（WCDA）979天和平方公里阵列（KM2A）1733天的有效观测数据。由于单个分子云的伽马射线信号十分微弱，均不足以单独达到显著探测，团队采用堆叠分析，将五个分子云的信号按气体柱密度进行联合约束。结果显示，WCDA和KM2A数据分别得到约5.0σ和5.9σ的伽马射线信号。

进一步的能谱研究表明，LHAASO测得的巨分子云伽马射线能谱与基于本地宇宙线能谱、由宇宙线同星际介质发生强子相互作用所预期的伽马射线辐射总体一致。这一结果表明，巨分子云能够作为研究银河系“宇宙线海”的有效天然探针，并将这类研究推进到TeV乃至更高能区。

宇宙线能谱在PeV能区存在著名的“膝”结构，其物理起源是宇宙线研究中的核心问题之一。如果质子宇宙线能谱在“膝”附近发生明显变陡，由其与星际气体相互作用产生的伽马射线能谱也应出现相应的转折。研究团队因此进一步利用KM2A数据搜索这一特征。目前的数据尚未显著探测到由宇宙线“膝”产生的伽马射线能谱转折，但观测结果与质子宇宙线的“膝”位于约0.9 PeV或更高能区的情形总体相容，这一研究为从伽马射线观测角度独立约束质子宇宙线“膝”提供了新的途径。

随着LHAASO观测数据持续积累，未来有望将这一方法应用于更多、乃至更遥远的银河系分子云，从而逐步绘制不同银河系区域的宇宙线分布，并进一步研究宇宙线的传播与起源。与沿银道面测量的弥散伽马射线相比，分子云能够提供更为局域化的宇宙线信息，因此有望成为探索银河系“宇宙线海”空间结构的重要天然探针。