Les rayons cosmiques sont des particules atomiques de haute énergie bombardant continuellement la surface de la Terre à presque la vitesse de la lumière. Le champ magnétique de notre planète protège la surface de la plupart des radiations générées par ces particules. Toujours, les rayons cosmiques peuvent provoquer des dysfonctionnements électroniques et sont la principale préoccupation dans la planification des missions spatiales.

Les chercheurs savent que les rayons cosmiques proviennent de la multitude d'étoiles de la Voie lactée, y compris notre soleil, et d'autres galaxies. La difficulté est de retracer les particules jusqu'à des sources spécifiques, parce que la turbulence du gaz interstellaire, plasma, et la poussière les fait se disperser et se rediffuser dans différentes directions.

Dans Avances AIP , Les chercheurs de l'Université de Notre Dame ont développé un modèle de simulation pour mieux comprendre ces caractéristiques et d'autres du transport des rayons cosmiques, dans le but de développer des algorithmes pour améliorer les techniques de détection existantes.

La théorie du mouvement brownien est généralement utilisée pour étudier les trajectoires des rayons cosmiques. Tout comme le mouvement aléatoire des particules de pollen dans un étang, les collisions entre les rayons cosmiques dans des champs magnétiques fluctuants provoquent la propulsion des particules dans différentes directions.

Mais cette approche de diffusion classique n'aborde pas de manière adéquate les différents taux de propagation affectés par divers environnements interstellaires et de longues périodes de vides cosmiques. Les particules peuvent être piégées pendant un certain temps dans des champs magnétiques, qui les ralentissent, tandis que d'autres sont poussés à des vitesses plus élevées grâce à des explosions d'étoiles.

Pour aborder la nature complexe du voyage des rayons cosmiques, les chercheurs utilisent un modèle de diffusion stochastique, un ensemble de variables aléatoires qui évoluent dans le temps. Le modèle est basé sur le mouvement brownien géométrique, une théorie de diffusion classique combinée à une légère dérive de trajectoire dans une direction.

Dans leur première expérience, ils ont simulé des rayons cosmiques se déplaçant dans l'espace interstellaire et interagissant avec des nuages ​​magnétisés localisés, représentés sous forme de tubes. Les rayons voyagent sans être dérangés sur une longue période de temps. Ils sont interrompus par une interaction chaotique avec les nuages ​​magnétisés, entraînant la réémission de certains rayons dans des directions aléatoires et d'autres restant piégés.

Analyse numérique Monte Carlo, sur la base d'un échantillonnage aléatoire répété, a révélé les gammes de densité et les forces de réémission des nuages ​​magnétiques interstellaires, conduisant à biaisé, ou à queue lourde, distributions des rayons cosmiques qui se propagent.

L'analyse dénote un comportement superdiffusif marqué. Les prédictions du modèle concordent bien avec les propriétés de transport connues dans les milieux interstellaires complexes.

"Notre modèle fournit des informations précieuses sur la nature des environnements complexes traversés par les rayons cosmiques et pourrait aider à faire progresser les techniques de détection actuelles, ", a déclaré l'auteur Salvatore Buonocore.