Ett internationellt forskarlag har utvecklat ett datorprogram som kan simulera transport av kosmiska strålar genom rymden. Forskarna hoppas att det ska hjälpa dem att lösa mysteriet med källorna till kosmiska strålar.

Än så länge vet vi inte vilka himmelska föremål som avger den högenergistrålning som kastar ut jorden från rymden. Teoretiska modeller är nödvändiga för att förklara experimentella data; den nya datorsimuleringen kan tillhandahålla dessa. Ett team av forskare från Ruhr-Universität Bochum (RUB) beskriver programvaran i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Som en jämnt upplyst himmel under dagtid

Sedan deras upptäckt för 100 år sedan har forskare försökt dechiffrera var kosmiska strålar kommer ifrån. Problemet är att de, sett från jorden, ser ut som himlen under dagtid för blotta ögat – nämligen lika starkt upplysta nästan överallt var vi än ser.

Detta beror på att ljuset från solen är utspritt i jordens atmosfär och sprider sig jämnt över hela himlen. Kosmiska strålar sprids också på väg till jorden – genom interaktioner med kosmiska magnetfält. Allt vi kan se från jorden är en jämnt upplyst bild; strålningens ursprung förblir dolt.

Partikelbanor simulerade hela vägen från produktion till upptäckt

"Vårt program CRPropa gör det möjligt för oss att spåra partiklarnas banor från deras bildande till deras ankomst till jorden - och detta för alla energier som vi kan observera från jorden", säger Julien Dörner, Ph.D. student vid RUB. "Vi kan också fullt ut redogöra för partiklarnas interaktion med materia och fotonfält i universum."

Programmet kan simulera inte bara utbredning av kosmisk strålning, utan också signaturer av neutriner och gammastrålar som produceras i kosmisk strålningsinteraktion. "Till skillnad från kosmiska strålar kan dessa budbärarpartiklar observeras direkt från sina källor, när de kommer till jorden på en rak väg", förklarar Dr Patrick Reichherzer, postdoktor vid RUB. "Vi kan också använda programvaran för att förutsäga sådana signaturer från neutriner och gammastrålar från avlägsna galaxer som starbursts eller aktiva galaxer."

Det presenterade simuleringsprogrammet är för närvarande den mest omfattande programvaran och öppnar upp nya fönster till universum. "Vi kan utforska nya energiområden i simuleringen som inte helt kunde fångas så detaljerat med de program som finns tillgängliga hittills", säger professor Karl-Heinz Kampert från University of Wuppertal. "Det viktigaste är att vi kan utveckla en teoretisk modell som beskriver övergången från kosmisk strålning från vår egen galax till en fraktion som kommer från avlägsna galaxer och jämföra den med observationer."

Teoretiska beräkningar viktiga för att tolka experimentella data

Simuleringsprogrammet utvecklades som ett resultat av ett internationellt samarbete mellan 17 forskare från Tyskland, Spanien, Nederländerna, Italien, Kroatien, England och Österrike. Med åtta forskare är RUB en ledande partner i projektet. Projektet genomfördes som en del av Collaborative Research Center (CRC) 1491 The Interplay of Cosmic Matter, finansierat av den tyska forskningsstiftelsen.

CRC talesperson professor Julia Tjus från RUB säger att "publiceringen är ett stort steg mot en kvantitativ beskrivning av transport och interaktion av kosmiska strålar i tre dimensioner. CRPropa kommer väsentligt att bidra till att förstå varifrån kosmiska strålar kommer. Vi behöver trots allt teoretiska beräkningar för att hjälpa oss tolka mängden data vi får från de olika instrument som övervakar kosmos." + Utforska vidare

Gammastrålar och neutriner från mjuka supermassiva svarta hål