由以色列理工學院（Technion）物理學院Shmuel Bialy 博士領導的國際研究團隊，首次測量了位於銀河星雲 Barnard 68 核心中的宇宙射線（cosmic rays）。該量測利用詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope） 的觀測資料描繪出宇宙射線在太空中的性質，並為理解銀河系中的恆星形成過程提供新的線索。此研究成果近期發表於《Nature Astronomy》，並與美國約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University） 合作，在《Astrophysical Journal》發表補充分析論文。
什麼是宇宙射線呢？儘管名稱中帶有射線這兩個字，宇宙射線並不是如同傳統認知中所理解的電磁輻射。它們其實是包括質子、電子以及原子核的物質粒子，瀰漫在整個銀河空間中，並以接近光速的速度移動著。宇宙射線對恆星形成過程有著決定性影響。像太陽這類恆星，是由銀河中氣體與塵埃雲在重力作用下塌縮形成。宇宙射線具有極高能量，能夠深入穿透星雲並加熱其中的氣體，進而延緩氣體塌縮與恆星的形成。除了加熱作用外，宇宙射線引發的電離過程也在星雲化學中扮演關鍵角色，並參與生成水、氨、甲醇等分子。宇宙射線最早在約一個多世紀前，由 Victor Hess 的經典氣球實驗中被發現。如今，歸功於來自國際太空站、Voyager 1 與 Voyager 2 太空探測器的測量資料，使科學家得以研究太陽系附近的宇宙射線。然而，宇宙射線在整個銀河中的性質，特別是在恆星形成星雲內部過程中的性質變化仍屬未知，並被視為現代天文物理學中最重要的未解問題之一。
恆星與行星是在寒冷黑暗的分子雲環境中形成。在這些高密度區域裡，由於恆星光無法穿透，宇宙射線成為主要的電離來源，並且參與驅動星際化學反應、決定氣體溫度以及耦合氣體與磁場等效應。這些效應共同調控分子雲塌縮以及恆星初始形成。儘管宇宙射線扮演著關鍵角色，宇宙射線電離率（ζ）從未被直接測量過。相反地，過去只能透過間接的化學示蹤物以及不確定假設來推估，也因此限制了我們對於恆星形成物理過程的理解程度。
在此研究中，研究人員使用了詹姆斯・韋伯太空望遠鏡針對無恆星核心 Barnard 68的觀測資料，針對宇宙射線激發的氫分子振動輻射（vibrational H₂ emission）進行直接偵測。觀測到的輻射模式與宇宙射線激發理論預測完全一致，證實了上述於數十年前所提出的理論，僅管該理論長期被認為在觀測上根本難以實現。這項成果使研究人員得以直接測量宇宙射線電離率 ζ，並有效地將分子雲轉變為光年等級尺度的天然宇宙射線探測器。這項成果為理解宇宙射線的起源傳播方式，以及它們在恆星形成與星系演化中的作用，開啟了一個新的觀測方式。
Bialy 博士解釋道：「當宇宙射線穿透星雲時，會激發氫分子振動，並在約 100 太赫茲的特徵頻率上釋放紅外線輻射。這種紅外線訊號可視為宇宙射線與星雲中氫分子互動留下的獨特指紋。」
研究團隊利用詹姆斯・韋伯太空望遠鏡針對 Barnard 68 星雲中的這種紅外線輻射進行觀測。Barnard 68 是一個距離地球約 400 光年位於 蛇夫座（Ophiuchus）的寒冷緻密星雲（溫度約 10–20 K，僅略高於絕對零度）。該星雲直徑約為 三分之一光年，質量約為太陽的兩倍。根據預測，它將在約 20 萬年後塌縮隨後形成一顆新的恆星。
論文共同作者隸屬Bialy 團隊的碩士生 Amit Chemke 表示：「太空望遠鏡偵測到的訊號與我們建立的理論模型預測完全吻合。我們同時也檢視了其他替代理論模型，但沒有任何一個模型能夠解釋觀測到的訊號。我們的測量資料提供明確證據，證實我們確實觀測到宇宙射線。」
美國約翰霍普金斯大學物理與天文學教授 David Neufeld（本研究合作者之一）表示：「這是首次偵測到由宇宙射線激發的氫分子所產生的光子。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡為宇宙射線天體物理學提供了全新的觀測方法。」
Bialy 博士表示：「多年前當我首度提出此方法時，許多專家對能否偵測到如此微弱的訊號抱持懷疑態度。然而詹姆斯・韋伯太空望遠鏡前所未有的觀測能力改變了一切。美國太空總署現在已額外分配 50 小時觀測時間，藉此在不同銀河環境中擴展宇宙射線量測。」
他補充表示，星雲儼然成為巨大天然粒子探測器，這將開啟系統性研究宇宙射線如何在銀河中傳播，以及它們如何調控恆星形成的可能性。
資料來源：https://www.technion.ac.il/en/blog/article/invisible-particles-that-control-star-birth-measured-for-first-time/
原始論文：https://doi.org/10.1038/s41550-025-02771-9
