Rayos Cósmicos III: ¿Qué nos enseñan?

En esta saga de tres artículos hemos hablado, en el primer post, sobre qué son los rayos cósmicos, cómo se descubren y cómo se detectan. En el segundo post os contamos cómo nos afectan. Si no los has leído, puedes hacerlo aquí:

Con todo lo que hemos hablado, la pregunta importante es por qué es tan interesante estudiar los rayos cósmicos a nivel científico. El descubrimiento de los rayos cósmicos impulsó la construcción de aceleradores de partículas, ya que fueron la confirmación experimental de la equivalencia entre masa y energía descrita por Einstein en su famos ecuación

E=mc²

Según esto, la masa y la energía son exactamente equivalentes. De hecho, se considera que la masa no es más que energía en reposo. La comprobación experimental se da cuando se observa el choque entre los rayos cósmicos y las partículas en la atmósfera. En estos choques se produce una gran cantidad de energía que decae a otras partículas diferentes, poniendo en evidencia que hay un paso posible entre energía y materia, y por lo tanto son equivalentes.

Modelo Estándar

Los rayos cósmicos fueron la única fuente de partículas de alta energía hasta los aceleradores y ambos han contribuido a la construcción del Modelo Estándar, que es el diccionario de partículas elementales que conocemos y que constituyen toda la materia ordinaria, incluyéndonos a nosotros mismos. La física de partículas es esencial para comprender la historia de nuestro Universo y como funciona la materia bariónica.


Los Rayos Cósmicos nos han ayudado a construir la Física de Partículas


Como ya dijimos, en la primera entrega de la saga, los rayos cósmicos se refiere a partículas cargadas, lo cual quiere decir que se ven afectadas por los campos magnéticos. Y campos magnéticos en el Universo hay por doquier. La detección de núcleos ligeros es isótropa, es decir, no hay una dirección en el cielo de la cual provengan más nucleos ligeros, sino que parecen venir la misma cantidad por todas partes. Esto se explica de dos formas: la primera, es que cada vez que entran o pasan cerca de un campo magnético, los rayos cósmicos se desvían, con lo cual parecen venir de todas partes y no podemos encontrar una fuente concreta de la cual provengan; la segunda, es que en origen fueran partículas más pesadas que al colisionar con material interestelar hayan provocado cascadas de partículas más ligeras, que son las que nos llegan.

Trayectoria difusa de los rayos cósmicos

Así pues, el estudio de rayos cósmicos nos puede dar información sobre el medio interestelar y también sobre los campos magnéticos que se encuentran entre nosotros y la fuente. Además, hay objetos puntuales que son aceleradores de rayos cósmicos, como las estrellas de neutrones y su potente campo magnético o galaxias activas.


Los Rayos Cósmicos nos dan información sobre los campos magnéticos y la materia que encuentran en su camino


Hablemos ahora de astropartículas sin carga eléctrica, es decir, neutrinos y rayos gamma. Éstos, al no tener carga, no se ven afectados por los campos magnéticos, por lo que al detectarlos podemos inferir cuál ha sido su trayectoria en línea recta hasta encontrar la fuente, por lo que nos permiten descubrir eventos y cuerpos muy leganos.

En el caso de los rayos gamma, nos han permitido comprender mejor la estructura de nuestra galaxia, que ahora sabemos que tiene dos grandes burbujas de emisión de rayos gamma por encima y por debajo del disco. Parece ser que hace algunos millones de años algo muy masivo cayó al agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia, provocando la emisión de dos chorros de altísima energía que han derivado en estas burbujas que vemos a día de hoy.

Esquema de la Vía Láctea con las burbujas de radiación gamma

Los rayos Gamma nos ayudan a comprender la forma y la historia de nuestra galaxia


Los neutrinos son interesantes por muchas cosas, pero aquí quiero contaros una en particular: podemos usarlos para detectar materia oscura. El Sol, al moverse alrededor del centro galáctico, se entiende que cruzará zonas con materia oscura. Dado que lo que quiera que sea que forma esta materia sólo interactúa gravitacionalmente con la materia ordinaria, sería de esperar que alguna de estas partículas de materia oscura se vean atraídas por el Sol y caigan hasta su centro, permaneciendo allí. Si esto ocurre con más de una partícula de materia oscura, como es de esperar, tendríamos que el Sol actuaría como un gran colector de partículas de materia oscura, guardándolas en su núcleo y favoreciendo que se puedan encontrar partículas de materia oscura con antipartículas de materia oscura. Si en este sentido la materia oscura se comporta como la materia ordinaria, partículas y antipartículas se aniquilarían y en este proceso la energía liberada puede dar lugar a otra serie de partículas, entre ellas neutrinos.

Aunque un fotón puede tardar un millón de años en salir del Sol, un neutrino, al no interactuar con prácticamente nada, saldría de la estrella en fracciones de segundo, y si pudiéramos detectarlos habríamos conseguido detectar esa materia oscura dentro del Sol. La misma idea se usa en núcleos de galaxias o zonas con alta gravedad, como cúmulos.


Los neutrinos nos podrían ayudar a detectar materia oscura


En definitiva, y para concluir esta saga, los rayos cósmicos son partículas cargadas de muy alta energía que provienen de estrellas, supernovas, agujeros negros activos… Ya sea en nuestra galaxia o de otras galaxias. Además, existen otras astropartículas no cargadas como neutrinos y rayos gamma. Todos ellos nos aportan una gran cantidad de información sobre astrofísica, cosmología y física de partículas, tres ramas importantes para comprender como el nuestro Universo.