宇宙線傳播的GALPROP模型討論

雷文華　李勇　胡海冰

宇宙線是一種高能粒子射線，它來自外太空，帶著宇宙線起源及其傳播的重要信息。宇宙線粒子產(chǎn)生之后，在星際空間經(jīng)過很長時間的飛行后才到達探測器，要經(jīng)歷一個傳播過程。由于星際空間比較復(fù)雜，宇宙線在被探測器探測到之前，會歷經(jīng)一個非常復(fù)雜的過程[1]。因此，對于從有限的信息中獲得宇宙線起源及傳播的信息就尤為重要。

1 宇宙線傳播的近似模型

宇宙線的傳播實際上是非常復(fù)雜的，因為星際空間中充滿了星際介質(zhì)和各種場，致使宇宙線粒子的傳播更加復(fù)雜。宇宙線傳播的復(fù)雜性導(dǎo)致了求解宇宙線傳播方程的難度極大，對此通常以近似的方法進行求解。研究宇宙線傳播近似模型有漏箱模型和擴散模型。漏箱模型對宇宙線的傳播進行了簡化處理。[2]在漏箱模型中，宇宙線粒子被束縛在某一空間中，在此空間中宇宙線自由傳播，并以常數(shù)概率逃逸該空間[3]。一般用平均逃逸時間來表示逃逸概率的大小，τesch/c，其中為漏箱尺度；為光速。在漏箱模型中僅用逃逸概率來解釋宇宙線的觀測特性，[4]雖然此模型簡單，在處理束縛空間內(nèi)的宇宙線的分布時存在一定的局限性，但是能有效地解釋宇宙線的某些觀測特征。該討論主要以宇宙線原子核為主，沒有考慮能量的再分布。但是對于宇宙線電子而言，其能量損失非常大。所以，牽涉宇宙線電子傳播時漏箱模型就會有較大的誤差，此模型就不能正確反映其物理本質(zhì)[5]。為了克服漏箱模型的不足，人們提出了擴散模型。在擴散模型中，宇宙線密度是不均勻的，隨著擴散的發(fā)生，密度梯度和各向異性就會出現(xiàn)，根據(jù)不同的粒子和邊界條件可以把擴散簡化為不同的形式[6]。對于不同的宇宙線粒子需要采用不同的簡化方法，每個簡化忽略的物理過程也不相同，其解也是多種多樣，缺少統(tǒng)一性。

2 宇宙線傳播的GALPROP數(shù)值模型

由于宇宙線傳播過程的復(fù)雜性，直接求解特別復(fù)雜，人們就需要尋求一種新的計算方法。隨著觀測手段的進步，計算理論的完善，人們開發(fā)出了數(shù)值求解宇宙線傳播模型的GALPROP程序包。GALPROP是一個運用數(shù)值的方法求解宇宙線的傳播的程序包[7]。這個數(shù)值模型不僅能同時處理各種宇宙線粒子的傳播，還計算了傳播中次級粒子、同步輻射和彌散伽瑪射線的產(chǎn)生[8]。

GALPROP中宇宙線的傳播方程是：

這里為單位粒子總動量內(nèi)的密度；

為相空間密度。為位置處廣義的宇宙線起源項，為星際空間擴散系數(shù)，表示為，

為宇宙線的對流速率；為空間擴散的動量，表示為（為的是阿爾文速度；為擾動水平）；P為用動量表示的能損；為碎裂時間；為放射性衰變的時間。

3 宇宙線傳播的GALPROP模型討論

GALPROP模型中采用三維圓柱對稱形狀來描述銀河系，用坐標表示，是銀心半徑，是距離銀道面的距離，是粒子總動量。在這一模型中，宇宙線粒子的傳播被限制在和z=zh=1～20 kpc的區(qū)域內(nèi)，它是由放射性原子核的研究和同步輻射的分布共同決定的。[9] GALPROP計算宇宙線傳播時，能考慮到各種宇宙線粒子的傳播，不需要做簡化計算。隨著人們對宇宙線研究的深入，GALPROP程序包也隨之發(fā)展。改進后的數(shù)值模型更符合實際，增加了可選擇的空間邊界條件，極化的同步輻射，新的磁場模型，原初正電子，附加的注射譜間斷以及強子能損等。GALPROP程序包將會隨著實驗的進一步深入，逐步完善并發(fā)揮其強大的功能。我國的科研人員基于GALPROP宇宙線傳播模型開發(fā)了馬爾科夫鏈蒙特卡洛程序包CosRayMC。該程序包能從觀測數(shù)據(jù)上進行多維參數(shù)的約束來研究宇宙線[10]，CosRayMC程序包的出現(xiàn)體現(xiàn)了我國科研人員在宇宙線研究領(lǐng)域的新發(fā)展。

總之，新發(fā)展的GALPROP能以標準天體物理格式輸出所有選擇的宇宙線粒子譜，可以和觀察數(shù)據(jù)進行比較，期望達到最真實地模擬銀河系宇宙線的實際情況。

參考文獻

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