研究人員用幾何布朗運動深入探究宇宙射線的起源

據外媒報道,宇宙射線是高能量的原子粒子,以近乎光速的速度不斷轟擊地球表面。我們星球的磁場屏蔽了由這些粒子產生的大部分輻射。但是,宇宙射線仍然可以導致電子故障,並且是規劃太空任務的主要關切。

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研究人員知道宇宙射線來源於銀河系中的眾多恆星,包括我們的太陽,以及其他星系。困難在於追蹤這些粒子的具體來源,因為星際氣體、等離子體和塵埃的湍流導致它們向不同方向散射和重新散射。

在AIP出版的《AIP進展》中,聖母大學的研究人員開發了一個模擬模型,以更好地了解這些和其他宇宙射線的傳輸特性,目的是開發算法以加強現有的探測技術。

布朗運動理論通常被用來研究宇宙射線的軌跡。很像花粉顆粒在池塘中的隨機運動,宇宙射線在波動磁場中的碰撞導致顆粒向不同方向推進。但是這種經典的擴散方法並不能充分解決受多樣化的星際環境和長時間的宇宙空隙影響的不同傳播速率。粒子可能會在磁場中被困住一段時間,使其速度減慢,而其他的粒子則通過恆星爆炸被推到更高的速度。

為了解決宇宙射線旅行的複雜性質,研究人員使用了一個隨機散射模型,一個隨時間演變的隨機變量的集合。該模型基於幾何布朗運動,一個經典的擴散理論與一個方向上的輕微軌跡漂移相結合。

在他們的第一個實驗中,他們模擬了宇宙射線在星際空間移動,並與以管子為代表的局部磁化雲相互作用。射線在很長一段時間內不受干擾地旅行。它們被與磁化雲的混亂互動所打斷,導致一些射線以隨機的方向重新發射,而另一些則保持被困。

基於重複隨機抽樣的蒙特卡洛數值分析,研究人員揭示了星際磁雲的密度和再發射強度的範圍,導致傳播的宇宙射線的傾斜或重尾分佈。

該分析表明了明顯的超擴散行為。該模型的預測與複雜星際介質中已知的傳輸特性非常一致。研究作者Salvatore Buonocore說:“我們的模型對宇宙射線穿過的複雜環境的性質提供了有價值的見解,可以幫助推進目前的探測技術。”