雷文華　李勇　胡海冰

宇宙線是一種高能粒子射線，它來(lái)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(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的飛行后才到達(dá)探測(cè)器，要經(jīng)歷一個(gè)傳播過(guò)程。由于星際空間比較復(fù)雜，宇宙線在被探測(cè)器探測(cè)到之前，會(huì)歷經(jīng)一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程[1]。因此，對(duì)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(shí)際上是非常復(fù)雜的，因?yàn)樾请H空間中充滿了星際介質(zhì)和各種場(chǎng)，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(duì)此通常以近似的方法進(jìn)行求解。研究宇宙線傳播近似模型有漏箱模型和擴(kuò)散模型。漏箱模型對(duì)宇宙線的傳播進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)間來(lái)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(lái)解釋宇宙線的觀測(cè)特性，[4]雖然此模型簡(jiǎn)單，在處理束縛空間內(nèi)的宇宙線的分布時(shí)存在一定的局限性，但是能有效地解釋宇宙線的某些觀測(cè)特征。該討論主要以宇宙線原子核為主，沒(méi)有考慮能量的再分布。但是對(duì)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(shí)漏箱模型就會(huì)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(kuò)散模型。在擴(kuò)散模型中，宇宙線密度是不均勻的，隨著擴(kuò)散的發(fā)生，密度梯度和各向異性就會(huì)出現(xiàn)，根據(jù)不同的粒子和邊界條件可以把擴(kuò)散簡(jiǎn)化為不同的形式[6]。對(duì)于不同的宇宙線粒子需要采用不同的簡(jiǎn)化方法，每個(gè)簡(jiǎn)化忽略的物理過(guò)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(guò)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(jì)算方法。隨著觀測(cè)手段的進(jìn)步，計(jì)算理論的完善，人們開(kāi)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(gè)運(yùn)用數(shù)值的方法求解宇宙線的傳播的程序包[7]。這個(gè)數(shù)值模型不僅能同時(shí)處理各種宇宙線粒子的傳播，還計(jì)算了傳播中次級(jí)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(dòng)量?jī)?nèi)的密度；

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

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

3 宇宙線傳播的GALPROP模型討論

GALPROP模型中采用三維圓柱對(duì)稱(chēng)形狀來(lái)描述銀河系，用坐標(biāo)表示，是銀心半徑，是距離銀道面的距離，是粒子總動(dòng)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(jì)算宇宙線傳播時(shí)，能考慮到各種宇宙線粒子的傳播，不需要做簡(jiǎn)化計(jì)算。隨著人們對(duì)宇宙線研究的深入，GALPROP程序包也隨之發(fā)展。改進(jìn)后的數(shù)值模型更符合實(shí)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(chǎng)模型，原初正電子，附加的注射譜間斷以及強(qiáng)子能損等。GALPROP程序包將會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步深入，逐步完善并發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。我國(guó)的科研人員基于GALPROP宇宙線傳播模型開(kāi)發(fā)了馬爾科夫鏈蒙特卡洛程序包CosRayMC。該程序包能從觀測(cè)數(shù)據(jù)上進(jìn)行多維參數(shù)的約束來(lái)研究宇宙線[10]，CosRayMC程序包的出現(xiàn)體現(xiàn)了我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行比較，期望達(dá)到最真實(shí)地模擬銀河系宇宙線的實(shí)際情況。

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