Rayos Cósmicos I: ¿Qué son?

¿Y si os dijéramos que ahora mismo estáis siendo atravesados por una gran cantidad de partículas provenientes del espacio y no os estáis dando cuenta? Efectivamente, los rayos cósmicos son partículas de alta energía provenientes del espacio exterior y son una componente esencial del Universo. Penetran en la atmósfera a un ritmo aproximado de mil por metro cuadrado cada segundo y cada una de estas partículas provoca una cascada de partículas secundarias de las cuales muchas de ellas llegan a la superficie, atravesándonos. Juegan un papel fundamental en la caída de rayos durante las tormentas y la química de la atmósfera y han de ser tenidos en cuenta en la salud de los astronautas y en la electrónica de satélites y comunicaciones. En esta serie de tres post vamos a hablar sobre todo esto y mucho más. Empezamos.

A principios del S. XX la comunidad científica centraba gran parte de sus esfuerzos en comprender la radiactividad. Se observó que los materiales radiactivos eran capaces de eliminar la carga eléctrica de un objeto cercano y para estudiar ésto se usaban unos aparatos llamados electroscopios. Pero en 1900, al tener electroscopios más sensibles, se observo que perdían carga incluso cuando no había materiales radiactivos cerca. ¿Qué estaba pasando?

El espectroscopio consistía en una lámina delgada de oro colgando de una alambre conductor dentro de un frasco hermético. El alambre conectaba en el exterior con una esfera metálica con carga negativa. Si está descargado y acercamos a la esfera un objeto cargado se induce un dipolo y las láminas se separan.

Se dedujo que el aire debía contener algún tipo de radiación capaz de penetrar en el recipiente hermético del espectroscopio, ionizar el gas interior y descargarlo. La siguiente pregunta entonces era: ¿provenía esa radiación del suelo o del mismo aire?

Para discernir entre ambas posibilidades, en 1909 Theodor Wulf subió al lugar más alto que tenía a mano: la Torre Eiffel, y repitió los experimientos. Se esperaba que, de venir la radiación del suelo, al alejarse de éste se redujera la descarga del electroscopio. Sin embargo no encontró diferencias entre sus experimientos y los realizados en superficie. Entre 1911 y 1912 Victor Hess realizó los mismos experimentos durante cinco vuelos en globo aerostático, donde llegó a alcanzar una altura de 5200m. Para sorpresa de todos, la radiación no solamente no disminuía, sino que aumentaba con la altitud.

La radiación, al ionizar el gas interior, descargaba el electroscopio. Hess demostró que el electroscopio se descargaba más rápidamente cuanto mayor era la altitud, por lo que lo que la radiación que estaba produciendo esos iones era más intensa cuanto más alto se estuviera, es decir, provenía de fuera de La Tierra y no del suelo.

Cuanto más alto se realizaba el experimiento, más rápido se descargaba el electroscopio. Es decir, más radiación había en el aire.


La deducción lógica era, por tanto, que la radiación que descargaba el espectroscopio provenía del espacio exterior. En 1912 Charles Wilson desarrolla la cámara de niebla, un experimento que consistía en un recipiente hermético lleno de vapor de agua o alcohol y al cual se aplica un campo magnético. Cuando una partícula entra en la cámara, deja a su paso una estela de gotitas condensadas del gas que contiene, permitiendo así ver qué trayectoria ha llevado la partícula que ha entrado, así como su tamaño. Si además esa trayectoria se curva en presencia del campo magnético podemos deducir que era una partícula cargada.

Experimiento Cámara de Niebla. Cada trazo blanco es la estela que deja una partícula que ha entrado en ella.

Una de las cosas que permitió observar este experimento es que en ocasiones una partícula parecía dividirse espontáneamente en varias o que la colisión entre dos partículas produce otras partículas distintas, lo que verificaba la equivalencia entre masa y energía de Einstein.

¿De dónde proceden estas partículas? Bien, según la energía que tengan. Las menos energéticas, por debajo de 1GeV (Gigaelectrónvoltio) parecen provenir del Sol. En las reacciones termonucleares que mantienen viva nuestra estrella se producen partículas que consiguen salir de ella y viajar hasta nosotros. Si sus energías rondan los 10⁶GeV, provienen principalmente de remanentes de supernovas que han tenido lugar en nuestra propia galaxia. Los de 10⁹GeV y tendrían un origen extragaláctico y los de energías aproximadas a 10¹¹GeV son un completo misterio, aunque se estima que de éstos sólo llega uno por kilómetro cuadrado y siglo.


Pueden provenir del Sol, de remanentes de supernova en nuestra galaxia o de fenómenos que tienen lugar en otras galaxias.


El 85% de los rayos cósmicos son protones y en el 15% restante son otros núcleos atómicos estables, electrones y unas pocas antipartículas como positrones y antiprotones. Sin embargo, podemos incluir en este batiburrillo de partículas provenientes del espacio a los neutrinos (partículas neutras muy energéticas y difíciles de detectar) y fotones de alta energía (o rayos gamma). Reservaremos el nombre de rayo cósmico únicamente para partículas cargadas. Si incluimos también neutrinos y rayos gamma entonces hablaremos de astropartículas.


Los Rayos Cósmicos son Astropartículas cargadas


Cuando estas partículas entran en la atmósfera, colisionan con los átomos y partículas que la conforman y, tal y como hemos dicho antes, de estas colisiones surgen toda una jungla de partículas diferentes: muones, piones, taquiones, neutrinos… y estos a su vez chocan con más partículas de la atmósfera y producen nuevas partículas, así sucesivamente en un fenómeno llamado cascada de partículas. Lo que se observa en superficie es la superposición de muchas cascadas simultáneas procedentes de rayos primarios de energías entre 10 y 100GeV. La atmósfera absorbe el 95% de la energía antes de que llegue al suelo. A unos 10Km de altura encontramos el máximo número de electrones mientras que en la superficie el 80% de las partículas cargadas que llegan son muones y el resto electrones y positrones poco energéticos.

A esta lluvia continua de partículas hay que sumar eventos puntuales producidos por rayos primarios de energías superiores a 1000GeV, que producen cascadas extensas que podemos observar individualmente, resaltando sobre el fondo continuo.


Los rayos cósmicos producen cascadas de partículas en la atmósfera


Aunque sí podamos comprender en qué tipo de eventos se producen estas partículas que llegan a nuestro planeta, como las reacciones termonucleares de las estrellas, las explosiones de supernovas, las galaxias activas… No es tan sencillo averiguar de cuál proviene exactamente cada una de ellas, es decir, de qué supernova en concreto o de qué galaxia activa. Hay que tener en cuenta que el cosmos está lleno de campos magnéticos y que las partículas cargadas, al entrar en uno, sufre un desvío. Así, los rayos cósmicos son como pelotas en un pinball, por lo que reconstruir el viaje que han hecho para saber de donde vienen es prácticamente imposible, aunque sí nos ayuda a conocer cómo son los campos magnéticos y la materia que hay entre nosotros y la fuente.

No ocurre así con las astropartículas neutras, es decir, neutrinos y rayos gamma, que al no tener carga no se ven afectadas por los campos magnéticos y por tanto han llevado una trayectoria en línea recta desde la fuente hasta nosotros, por lo que es mucho más sencillo saber de dónde provienen. El problema con los neutrinos es que la mayoría de ellos atraviesan La Tierra entera sin inmutarse y, por ende, nuestros detectores, haciendo que sea muy complicado observarlos. Para ello tenemos impresionantes detectores como IceCube o Superkamiokande.

IceCube. Credit: IceCube Neutrino Observatory, IFIC.
Superkamiokande. Credit: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.

El estudio de los rayos cósmicos nos da información esencial sobre la evolución de las estrellas, la dinámica en las explosiones de supernova o los campos magnéticos y materia que hay entre la fuente y nosotros. Además, hasta 1950 fueron la única fuente de partículas de alta energía de la que se disponía, hasta la aparición de los aceleradores de partículas. Su estudio nos ha ayudado a comprender mejor como son las partículas fundamentales que conforman nuestro Universo y a construir el Modelo Estándar de partículas, pieza fundamental de la física actual.

Estas partículas tan energéticas han de tener, por fuerza, un impacto en la vida en la Tierra, en los satélites y, por supuesto, en los astronautas, quienes se exponen mucho más al abandonar la atmósfera. Sobre todo esto hablaremos en el segundo post de la saga que puedes leer aquí: