Kosmische stralen zijn hoogenergetische atomaire deeltjes die het aardoppervlak voortdurend bombarderen met bijna de lichtsnelheid. Het magnetische veld van onze planeet beschermt het oppervlak tegen de meeste straling die door deze deeltjes wordt gegenereerd. Nog altijd, kosmische straling kan elektronische storingen veroorzaken en is de grootste zorg bij het plannen van ruimtemissies.

Onderzoekers weten dat kosmische straling afkomstig is van de veelheid aan sterren in de Melkweg, inclusief onze zon, en andere sterrenstelsels. De moeilijkheid is om de deeltjes te traceren naar specifieke bronnen, omdat de turbulentie van interstellair gas, plasma, en stof zorgt ervoor dat ze zich in verschillende richtingen verspreiden en weer verstrooien.

In AIP-vooruitgang , Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame ontwikkelden een simulatiemodel om deze en andere transportkenmerken van kosmische straling beter te begrijpen, met als doel het ontwikkelen van algoritmen om bestaande detectietechnieken te verbeteren.

Brownse bewegingstheorie wordt over het algemeen gebruikt om kosmische stralingstrajecten te bestuderen. Net zoals de willekeurige beweging van stuifmeeldeeltjes in een vijver, botsingen tussen kosmische straling binnen fluctuerende magnetische velden zorgen ervoor dat de deeltjes in verschillende richtingen voortbewegen.

Maar deze klassieke diffusiebenadering gaat niet adequaat in op de verschillende voortplantingssnelheden die worden beïnvloed door diverse interstellaire omgevingen en lange perioden van kosmische leegten. Deeltjes kunnen een tijdlang vast komen te zitten in magnetische velden, die hen vertragen, terwijl anderen door sterexplosies in hogere snelheden worden geduwd.

Om de complexe aard van reizen met kosmische straling aan te pakken, de onderzoekers gebruiken een stochastisch verstrooiingsmodel, een verzameling willekeurige variabelen die in de loop van de tijd evolueren. Het model is gebaseerd op geometrische Brownse beweging, een klassieke diffusietheorie gecombineerd met een lichte baanafwijking in één richting.

In hun eerste experiment, ze simuleerden kosmische stralen die door de interstellaire ruimte bewegen en interageren met gelokaliseerde gemagnetiseerde wolken, weergegeven als buizen. De stralen reizen ongestoord over een lange periode. Ze worden onderbroken door chaotische interactie met de gemagnetiseerde wolken, waardoor sommige stralen in willekeurige richtingen worden uitgezonden en andere gevangen blijven.

Monte Carlo numerieke analyse, gebaseerd op herhaalde willekeurige steekproeven, onthulde reeksen van dichtheid en heremissiesterkten van de interstellaire magnetische wolken, leidend tot scheeftrekken, of dikke staart, verdelingen van de zich voortplantende kosmische straling.

De analyse geeft duidelijk superdiffusiegedrag aan. De voorspellingen van het model komen goed overeen met bekende transporteigenschappen in complexe interstellaire media.

"Ons model biedt waardevolle inzichten in de aard van complexe omgevingen die worden doorkruist door kosmische straling en kan de huidige detectietechnieken helpen verbeteren, " zei auteur Salvatore Buonocore.