研究人员用几何布朗运动深入探究宇宙射线的起源

研究人员知道宇宙射线来源于银河系中的众多恒星，包括我们的太阳，以及其他星系。困难在于追踪这些粒子的具体来源，因为星际气体、等离子体和尘埃的湍流导致它们向不同方向散射和重新散射。

在AIP出版的《AIP进展》中，圣母大学的研究人员开发了一个模拟模型，以更好地了解这些和其他宇宙射线的传输特性，目的是开发算法以加强现有的探测技术。

布朗运动理论通常被用来研究宇宙射线的轨迹。很像花粉颗粒在池塘中的随机运动，宇宙射线在波动磁场中的碰撞导致颗粒向不同方向推进。但是这种经典的扩散方法并不能充分解决受多样化的星际环境和长时间的宇宙空隙影响的不同传播速率。粒子可能会在磁场中被困住一段时间，使其速度减慢，而其他的粒子则通过恒星爆炸被推到更高的速度。

为了解决宇宙射线旅行的复杂性质，研究人员使用了一个随机散射模型，一个随时间演变的随机变量的集合。该模型基于几何布朗运动，一个经典的扩散理论与一个方向上的轻微轨迹漂移相结合。

在他们的第一个实验中，他们模拟了宇宙射线在星际空间移动，并与以管子为代表的局部磁化云相互作用。射线在很长一段时间内不受干扰地旅行。它们被与磁化云的混乱互动所打断，导致一些射线以随机的方向重新发射，而另一些则保持被困。

基于重复随机抽样的蒙特卡洛数值分析，研究人员揭示了星际磁云的密度和再发射强度的范围，导致传播的宇宙射线的倾斜或重尾分布。

该分析表明了明显的超扩散行为。该模型的预测与复杂星际介质中已知的传输特性非常一致。研究作者Salvatore Buonocore说：“我们的模型对宇宙射线穿过的复杂环境的性质提供了有价值的见解，可以帮助推进目前的探测技术。”