宇宙射线通过磁云传播的示意图。

宇宙射线是一种高能原子粒子，以接近光速的速度不断轰击地球表面。我们星球的磁场屏蔽了这些粒子产生的大部分辐射。尽管如此，宇宙射线仍可能导致电子故障，是太空任务计划的主要关注点。

研究人员知道宇宙射线起源于银河系中的众多恒星，包括我们的太阳和其他星系。困难在于追踪这些粒子的具体来源，因为星际气体、等离子体和尘埃的湍流导致它们向不同的方向散射和散射。

在AIP Advances中，圣母大学(University of Notre Dame)的研究人员开发了一个模拟模型，以更好地理解这些和其他宇宙射线的传输特性，其目标是开发算法来增强现有的探测技术。

布朗运动理论通常被用来研究宇宙射线的轨迹。就像池塘里花粉粒子的随机运动一样，宇宙射线在波动磁场内的碰撞会导致粒子向不同的方向运动。

但是，这种经典的扩散方法并不能充分解决不同的星际环境和长时间的宇宙空洞所影响的不同传播速率。粒子可以被困在磁场中一段时间，从而减慢它们的速度，而其他粒子则通过恒星爆炸被推入更高的速度。

为了解决宇宙射线旅行的复杂性，研究人员使用了随机散射模型，这是一个随时间变化的随机变量集合。该模型基于几何布朗运动，这是一种经典的扩散理论，结合了一个方向上的轻微轨迹漂移。

在他们的第一个实验中，他们模拟了宇宙射线穿过星际空间并与以管子为代表的局部磁化云相互作用的过程。光线在很长一段时间内不受干扰地传播。它们被磁化云的混乱相互作用打断，导致一些射线以随机的方向重新发射，而另一些射线则被困住。

基于重复随机抽样的蒙特卡罗数值分析揭示了星际磁云的密度范围和再发射强度，导致了宇宙射线传播的偏态或重尾分布。

分析表明有明显的超扩散行为。该模型的预测与已知的复杂星际介质的输运性质非常一致。

作者Salvatore Buonocore说:“我们的模型对宇宙射线所穿越的复杂环境的本质提供了有价值的见解，并有助于推进当前的探测技术。”