宇宙射线驱动的分子云生物元素植入：天体生物学关键元素的富集机制

本研究通过Geant4蒙特卡洛模拟，揭示了高能宇宙射线（质子/α粒子）在30 M⊙ 分子云中植入C、O、N、S、P等生命关键元素的时空分布规律。研究发现1 AU区域内存在显著的原子植入富集效应，为星际复杂有机分子形成提供了新机制，对理解宇宙生命起源物质基础具有重要意义。

　　

在浩瀚宇宙中，分子云作为恒星和行星系统的摇篮，其化学组成直接关系到生命起源的物质基础。然而，这些星际物质如何获得构成生命必需的碳(C)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、磷(P)等元素，一直是天体化学领域的核心谜题。传统理论认为这些元素主要来自恒星核合成和超新星爆发，但最新研究表明，高能宇宙射线可能在分子云内部直接"播种"这些生命基石元素——这个过程被称为"宇宙受精"(cosmic fertilization)。

为验证这一假说，巴西国家科学技术发展委员会(CNPq)和圣保罗研究基金会(FAPESP)资助的研究团队，利用Geant4蒙特卡洛模拟工具包，首次系统研究了TeV级宇宙射线与30 M_⊙
分子云的相互作用。该研究创新性地揭示了宇宙射线在星际介质中植入生物元素的定量规律，相关成果发表在《Life Sciences in Space Research》上。

研究采用Geant4 (高能物理模拟工具包)的QGSP_INCLXX_HP物理模型，基于旅行者1号实测的宇宙射线通量数据，模拟了质子(p)和α粒子在分子云中的级联反应。模拟对象为半径8.4×10⁴
AU、中心密度递增的分子云团块，重点关注核反应产生的次级粒子植入过程。

INTRODUCTION
宇宙射线在分子云化学演化中扮演多重角色，既能引发电离解离，又能通过核反应植入原子。以往研究多关注其破坏性效应，而本研究首次系统量化了其对生物元素的建设性贡献。

METHODOLOGY
采用Geant4模拟1 TeV以下能谱的质子/α粒子与分子云的相互作用，物理过程包含强子相互作用、核碎裂等，通过蒙特卡洛方法统计各元素在云内不同位置的植入速率。

RESULTS AND DISCUSSION
数据显示：1) 质子(p)在所有区域均为主导植入粒子；2) 植入效率呈现C≈O>N>S>P的层级关系；3) 中心区域因靶密度高、入射粒子能量衰减而富集效应最强；4) 1 AU区域显示出特殊的原子富集特征，可能成为复杂有机分子形成的"热点"。

CONCLUSION
该研究证实宇宙射线能选择性地在分子云特定区域富集生命必需元素，其中1 AU尺度区域的C、O、N协同富集现象尤为显著。这一发现为"星际生命前分子"形成提供了新机制，将宇宙射线从单纯的破坏者重新定义为潜在的生命物质"搬运工"。研究建立的定量模型为后续系外生命探测提供了理论依据，特别在评估原行星盘化学组成方面具有重要应用价值。