Моделирование помогает в поисках происхождения космических лучей

(Новости НанверкаМеждународная исследовательская группа разработала компьютерную программу, которая может имитировать передачу космических лучей в космосе. Исследователи надеются, что это поможет им разгадать тайну источников космических лучей. Пока мы не знаем, какие небесные тела излучают высокоэнергетическое излучение, выбрасывающее Землю из космоса. Теоретические модели необходимы для объяснения эмпирических данных; Новое компьютерное моделирование может обеспечить.

Группа исследователей из Рурского университета Бохума (RUB) описывает программу в Журнал космологии и астрофизики («CRPropa 3.2 — передовая структура для распространения высокоэнергетических частиц во внегалактических и межгалактических пространствах»). Цветные линии показывают, как космические лучи отклоняются магнитными полями. Прямые белые линии представляют собой широкополосное магнитное поле. Кроме того, на траектории частиц (цветные линии) действуют не показанные здесь магнитные поля малых размеров. (Фото: доктор Лукас Мертен)

Как равномерно освещенное небо в течение дня

С момента их открытия 100 лет назад исследователи пытались расшифровать источник космических лучей. Проблема в том, что при взгляде с Земли оно невооруженным глазом выглядит как дневное небо, то есть: оно светится практически одинаково везде, куда бы мы ни посмотрели. Это связано с тем, что солнечный свет проходит через атмосферу Земли и равномерно распространяется по всему небу.

Космические лучи также распространяются по пути к Земле — через взаимодействие с космическими магнитными полями. Все, что мы видим с Земли, представляет собой одинаково яркое изображение. Происхождение радиации остается скрытым.

Пути частиц смоделированы на всем пути от производства до обнаружения

«Наше программное обеспечение CRPropa позволяет нам отслеживать пути частиц от их образования до прибытия на Землю — и это касается всех энергий, которые мы можем наблюдать с Земли», — говорит Жюльен Дёрнер, аспирант RUB. «Мы также можем полностью объяснить взаимодействие частиц с материей и фотонными полями во Вселенной».

Программное обеспечение может моделировать не только распространение космических лучей, но и сигнатуры нейтрино и гамма-лучей, возникающие при взаимодействии космических лучей.

«В отличие от космических лучей, эти переданные частицы можно наблюдать непосредственно из их источников, поскольку они приходят к Земле по прямому пути», — объясняет доктор Патрик Райхшерцер, научный сотрудник RUB. «Мы также можем использовать программное обеспечение для предсказания этих сигнатур нейтрино и гамма-лучей от далеких галактик, таких как вспышки звезд или активные галактики».

Предлагаемое программное обеспечение для моделирования в настоящее время является наиболее полным и открывает новые окна во вселенную.

«Мы можем исследовать новые энергетические диапазоны в моделировании, которые не могут быть полностью захвачены с помощью доступного программного обеспечения», — говорит профессор Карл-Хайнц Камберт из Университета Вупперталя. «Важно то, что мы можем разработать теоретическую модель, описывающую переход космических лучей от нашей галактики к части далеких галактик, и сравнить ее с наблюдениями».

Для интерпретации экспериментальных данных необходимы теоретические расчеты.

Программное обеспечение для моделирования было разработано в результате международного сотрудничества между 17 исследователями из Германии, Испании, Нидерландов, Италии, Хорватии, Англии и Австрии. RUB с восемью исследователями является ключевым партнером в проекте. Проект реализован в рамках Совместного исследовательского центра (CRC) 1491 «Взаимодействие космической материи», финансируемого Немецким исследовательским фондом.

Представитель CRC профессор Юлия Госс из RUB отмечает: «Публикация является важным шагом на пути к количественному описанию прохождения и взаимодействия космических лучей в трех измерениях. CRPropa внесет большой вклад в понимание источника космических лучей. Ведь нам нужны теоретические расчеты, чтобы помогают нам объяснить диапазон космических лучей.Разнообразные данные, которые мы получаем от различных инструментов, наблюдающих за Вселенной».