近日，一项由清华大学等多家单位组成的科研团队完成的重要研究成果引发国际天文学界高度关注。该团队利用自主原创方法，成功分析了“中国天眼”FAST对猎户座星云的高精度原子氢气观测数据，首次获得低能宇宙线起源于恒星形成区域的关键证据。这一突破性发现开辟了利用原子氢观测研究银河系大尺度低能宇宙线分布的全新路径，相关成果已发表于国际学术期刊《天体物理学快报》。
破解宇宙线起源的世纪之谜
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，自1912年被发现以来，其起源问题一直是天体物理学的核心课题之一。高能宇宙线被认为与超新星爆发等剧烈天体活动有关，而能量较低（约1-100吉电子伏）的宇宙线占据宇宙线总数的绝大部分，其来源和加速机制长期悬而未决。由于低能宇宙线在银河系中传播时极易受磁场和星际介质影响，传统观测手段难以准确追踪其分布和起源。
“此前，天文学家主要利用伽马射线间接推断低能宇宙线的存在，但这种方法受限于伽马射线望远镜的灵敏度和空间分辨率。”研究团队负责人、清华大学天文系教授介绍，“FAST作为全球最大、最灵敏的单口径射电望远镜，其独有的超高灵敏度使其能够捕捉到极其微弱的原子氢信号，为直接探测低能宇宙线提供了可能。”
自主原创方法：从原子氢“指纹”看宇宙线
原子氢气是宇宙中最丰富的物质，广泛分布于星际空间。当低能宇宙线与原子氢发生碰撞时，会激发原子氢产生特定的辐射信号，这种信号犹如宇宙线的“指纹”。科研团队自主开发了一套全新的数据处理算法，能够从FAST观测的海量数据中精准提取这种微弱信号，并排除银河系内其他辐射的干扰。
通过对猎户座星云长达数百小时的精细观测，团队发现，在恒星形成活跃区域，原子氢受激辐射的强度显著高于其他区域，且辐射特征与低能宇宙线的预期能量分布高度吻合。这一结果直接证明，低能宇宙线正是在恒星形成的激烈过程中产生并加速的。
“猎户座星云是离我们最近的恒星形成区之一，堪称研究恒星形成的‘天然实验室’。”团队成员、国家天文台研究员表示，“FAST的观测精度达到了前所未有的水平，我们甚至能够分辨出单个恒星形成区的宇宙线分布差异。”
开辟大尺度宇宙线研究新范式
传统上，研究宇宙线依赖伽马射线望远镜或空间探测器，但受限于观测窗口和能源供应，难以覆盖整个银河系。而原子氢在银河系中无处不在，利用FAST对原子氢的高精度成像，得以绘制出银河系大尺度低能宇宙线的“地图”。
“这意味着，我们首次拥有了一种全新的‘探针’，能够从宏观视角研究低能宇宙线在银河系中的分布规律，进而揭示宇宙线的传播机制和能量演化。”研究团队指出，这一方法可以应用于其他恒星形成区，甚至扩展到银河系旋臂结构乃至整个星系尺度。
国际同行在审稿意见中评价：“这项工作不仅解决了低能宇宙线起源的具体问题，更重要的是展示了一种极具潜力的观测范式。FAST的独特能力使其成为这一领域无可替代的研究平台。”
“中国天眼”基础研究再显威力
自2020年正式运行以来，FAST已在中性氢巡天、脉冲星发现、快速射电暴等领域取得一系列世界级成果。此次研究再次证明，除了快速射电暴等“明星”现象，FAST在低能宇宙线这类“精细物理”问题上同样具有不可替代的作用。
“FAST的设计寿命为30年，未来我们将利用它进行更大规模的银河系原子氢巡天，结合自主原创的数据分析方法，有望系统揭示低能宇宙线的起源、分布和演化，为理解宇宙线的完整图景提供关键拼图。”研究团队表示。
这一成果不仅彰显了中国射电天文学从“跟跑”到“领跑”的跨越，也展示了基础科学领域自主原创技术的重要价值。正如团队成员所言：“FAST的高灵敏度是基础，而自主原创的方法则是打开新领域的钥匙。二者结合，让中国科学家在天文基础研究的前沿闯出了一条新路。”