Kosmiska strålar är atompartiklar med hög energi som ständigt bombarderar jordens yta med nästan ljusets hastighet. Vår planets magnetfält skyddar ytan från det mesta av strålningen som genereras av dessa partiklar. Fortfarande, kosmiska strålar kan orsaka elektroniska funktionsstörningar och är det största problemet vid planering av rymduppdrag.

Forskare vet att kosmiska strålar härstammar från de många stjärnorna i Vintergatan, inklusive vår sol, och andra galaxer. Svårigheten är att spåra partiklarna till specifika källor, eftersom turbulensen hos interstellär gas, plasma, och damm gör att de sprids och sprids i olika riktningar.

I AIP Advances , University of Notre Dame forskare utvecklade en simuleringsmodell för att bättre förstå dessa och andra kosmiska stråltransportegenskaper, med målet att utveckla algoritmer för att förbättra befintliga detektionstekniker.

Brownsk rörelseteori används vanligtvis för att studera kosmiska strålbanor. Ungefär som den slumpmässiga rörelsen av pollenpartiklar i en damm, kollisioner mellan kosmiska strålar inom fluktuerande magnetfält får partiklarna att driva i olika riktningar.

Men denna klassiska diffusionsmetod behandlar inte tillräckligt de olika utbredningshastigheter som påverkas av olika interstellära miljöer och långa perioder av kosmiska tomrum. Partiklar kan fångas under en tid i magnetfält, som saktar ner dem, medan andra skjuts upp i högre hastigheter genom stjärnexplosioner.

För att ta itu med den komplexa naturen av kosmisk strålning, forskarna använder en stokastisk spridningsmodell, en samling slumpvariabler som utvecklas över tiden. Modellen är baserad på geometrisk Brownsk rörelse, en klassisk diffusionsteori kombinerad med en liten banadrift i en riktning.

I deras första experiment, de simulerade kosmiska strålar som rör sig genom interstellärt utrymme och interagerar med lokaliserade magnetiserade moln, representeras som rör. Strålarna färdas ostört under lång tid. De avbryts av kaotisk interaktion med de magnetiserade molnen, vilket resulterar i att vissa strålar släpps igen i slumpmässiga riktningar och andra förblir instängda.

Monte Carlo numerisk analys, baserat på upprepad stickprov, avslöjade intervall av densitet och återemissionsstyrkor för de interstellära magnetiska molnen, leder till skev, eller tungsvansad, fördelningen av de utbreda kosmiska strålarna.

Analysen betecknar markant superdiffusivt beteende. Modellens förutsägelser överensstämmer väl med kända transportegenskaper i komplexa interstellära medier.

"Vår modell ger värdefulla insikter om karaktären hos komplexa miljöer som korsas av kosmiska strålar och kan hjälpa till att utveckla nuvarande detektionstekniker, ", sa författaren Salvatore Buonocore.