It is largely accepted that Galactic cosmic rays, which pervade the interstellar medium, originate by means of shock waves in supernova remnants. Cosmic rays activate the rich chemistry that is observed in a molecular cloud and they also regulate its collapse timescale, determining the efficiency of star and planet formation, but they cannot penetrate up to the densest part of a molecular cloud, where the formation of stars is expected, because of energy loss processes and magnetic field deflections. Recently, observations towards young protostellar systems showed a surprisingly high value of the ionisation rate, the main indicator of the presence of cosmic rays in molecular cloud. Synchrotron emission, the typical feature of relativistic electrons, has also been detected towards the bow shock of a T Tauri star. Nevertheless, the origin of these signatures peculiar to accelerated particles is still puzzling. Here we show that particle acceleration can be driven by shock waves occurring in protostars through the first-order Fermi acceleration mechanism. We expect that shocks in protostellar jets can be efficient accelerators of protons, which can be boosted up to mildly relativistic energies. A strong acceleration can also take place at the protostellar surface, where shocks produced by infalling material during the phase of collapse are powerful enough to accelerate protons. Our model shows that thermal particles can experience an acceleration during the first phases of a system similar to the proto-Sun, and can also be used to explain recent observations. The presence of a local source of cosmic rays may have an unexpected impact over the process of the formation of stars and planets, as well as on the pre-biotic molecule formation.
銀河宇宙線は、星間物質に遍在し、超新星残骸における衝撃波によって起源すると広く受け入れられている。宇宙線は、分子雲で観測される豊かな化学を活性化し、その収縮タイムスケールを制御して星・惑星形成の効率を決定づけるが、エネルギー損失過程と磁場による偏向のため、分子雲の最も高密度な領域には到達できない。近年、若い原始星システムへの観測により、分子雲における宇宙線の存在を示す主要な指標である電離率が驚くほど高い値を持つことが示された。また、Tタウリ型星のバウショックからは、相対論的電子の典型的な特徴であるシンクロトロン放射も検出されている。それにもかかわらず、これらの加速粒子に特有のシグネチャーの起源は依然として謎のままである。ここで我々は、原始星において発生する衝撃波が、一次フェルミ加速機構を通じて粒子加速を駆動し得ることを示す。原始星ジェット中の衝撃波は、陽子を準相対論的エネルギーまで効率的に加速する可能性があると期待される。また、収縮段階における落下物質によって生成される衝撃波は、原始星表面でも強力な加速を引き起こし得る。我々のモデルは、太陽に類似した原始星システムの初期段階において熱的粒子が加速を受け得ることを示し、最近の観測結果を説明するために用いることができる。局所的な宇宙線源の存在は、星・惑星形成の過程だけでなく、前生物的分子の形成にも予想外の影響を与える可能性がある。