Een internationaal onderzoeksteam heeft een computerprogramma ontwikkeld dat het transport van kosmische straling door de ruimte kan simuleren. De onderzoekers hopen dat het hen zal helpen het mysterie van de bronnen van kosmische straling op te lossen.

Tot nu toe weten we niet welke hemellichamen de hoogenergetische straling uitzenden die de aarde vanuit de ruimte bekogeld. Theoretische modellen zijn nodig om experimentele gegevens te verklaren; de nieuwe computersimulatie kan deze bieden. Een team van onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) beschrijft de software in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .

Als een gelijkmatig verlichte hemel overdag

Sinds hun ontdekking 100 jaar geleden hebben onderzoekers geprobeerd te ontcijferen waar kosmische straling vandaan komt. Het probleem is dat ze, gezien vanaf de aarde, er overdag uitzien als de lucht met het blote oog, namelijk bijna overal waar we kijken even helder verlicht.

Dit komt doordat het licht van de zon in de atmosfeer van de aarde wordt verstrooid en zich gelijkmatig over de hele hemel verspreidt. Kosmische stralen worden ook verstrooid op weg naar de aarde - door interacties met kosmische magnetische velden. Alles wat we vanaf de aarde kunnen zien, is een gelijkmatig verlicht beeld; de oorsprong van de straling blijft verborgen.

Partikeltrajecten gesimuleerd van productie tot detectie

"Ons programma CRPropa stelt ons in staat om de banen van deeltjes te volgen vanaf hun vorming tot hun aankomst op aarde - en dit voor alle energieën die we vanaf de aarde kunnen waarnemen", zegt Julien Dörner, Ph.D. student aan RUB. "We kunnen ook de interactie van de deeltjes met materie en fotonvelden in het universum volledig verklaren."

Het programma kan niet alleen de voortplanting van kosmische straling simuleren, maar ook handtekeningen van neutrino's en gammastralen die worden geproduceerd in interacties met kosmische straling. "In tegenstelling tot kosmische straling, kunnen deze boodschapperdeeltjes rechtstreeks vanuit hun bronnen worden waargenomen, omdat ze op een recht pad naar de aarde komen", legt Dr. Patrick Reichherzer, postdoctoraal onderzoeker bij RUB, uit. "We kunnen de software ook gebruiken om dergelijke handtekeningen van neutrino's en gammastralen van verre sterrenstelsels zoals starbursts of actieve sterrenstelsels te voorspellen."

Het gepresenteerde simulatieprogramma is momenteel de meest uitgebreide software en opent nieuwe vensters naar het universum. "We kunnen in de simulatie nieuwe energiebereiken verkennen die met de tot nu toe beschikbare programma's niet volledig konden worden vastgelegd", zegt professor Karl-Heinz Kampert van de Universiteit van Wuppertal. "Het belangrijkste is dat we een theoretisch model kunnen ontwikkelen dat de overgang van kosmische straling van onze eigen Melkweg naar een fractie afkomstig van verre melkwegstelsels beschrijft en deze kan vergelijken met waarnemingen."

Theoretische berekeningen essentieel om experimentele gegevens te interpreteren

Het simulatieprogramma is ontwikkeld als resultaat van een internationale samenwerking van 17 onderzoekers uit Duitsland, Spanje, Nederland, Italië, Kroatië, Engeland en Oostenrijk. Met acht onderzoekers is de RUB een leidende partner in het project. Het project werd uitgevoerd als onderdeel van het Collaborative Research Center (CRC) 1491 The Interplay of Cosmic Matter, gefinancierd door de Duitse Research Foundation.

CRC-woordvoerder professor Julia Tjus van de RUB zegt dat "de publicatie een grote stap is in de richting van een kwantitatieve beschrijving van het transport en de interactie van kosmische straling in drie dimensies. CRPropa zal een belangrijke bijdrage leveren aan het begrijpen waar kosmische straling vandaan komt. theoretische berekeningen om ons te helpen de verscheidenheid aan gegevens te interpreteren die we ontvangen van de verschillende instrumenten die de kosmos bewaken." + Verder verkennen

Gammastraling en neutrino's van zachte superzware zwarte gaten