El misterio de los rayos cósmicos

Los científicos adoran el misterio, porque resolver un misterio de la naturaleza significa la oportunidad de aprender algo nuevo sobre el universo. Los rayos cósmicos de alta energía son un misterio. Algo por ahí, nadie sabe qué, está arrojando partículas increíblemente energéticas por todo el universo. ¿Estas partículas provienen de alguna explosión cósmica superpoderosa desconocida? ¿De un enorme agujero negro que succiona estrellas hasta provocar su muerte violenta? ¿De galaxias en colisión?

Todavía no sabemos las respuestas, pero sí sabemos que resolver este misterio sobre los rayos cósmicos conducirá a los científicos un paso por delante en la comprensión del universo.

¿Qué son los rayos cósmicos?

Los rayos cósmicos son partículas de movimiento rápido cargadas (generalmente un protón o un núcleo pesado) que constantemente nos bombardean desde el espacio en todas direcciones.

La mayoría de las partículas son núcleos de átomos o electrones. De los núcleos, la mayoría son protones únicos, como los núcleos de átomos de hidrógeno, pero algunos son mucho más pesados, llegando hasta los núcleos de átomos del plomo.

Las partículas de rayos cósmicos viajan casi a la velocidad de la luz, lo que significa que tienen una energía muy alta. Algunos de ellos, de hecho, son las partículas más energéticas jamás vistas en la naturaleza. Los rayos cósmicos de mayor energía tienen cien millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador de partículas más poderoso del mundo.

¿De dónde vienen los rayos cósmicos?

Las partículas de rayos cósmicos de menor energía que golpean la tierra provienen de nuestra propia Vía Láctea. Pueden originarse, directa o indirectamente, a partir de las explosiones de supernova que marcan la muerte de muchas estrellas. Estas explosiones arrojan campos magnéticos de movimiento rápido que expulsan partículas cargadas.

Las interacciones de partículas cargadas con los campos magnéticos del sol, el viento solar o las supernovas pueden explicar los rayos cósmicos con energías que van desde 1 mil millones (109) de electrón voltios hasta 10 mil billones (1016) de electrón voltios. Ocasionalmente, sin embargo, se detecta un rayo cósmico con una energía superior a 10 millones de trillones (1019) de electrón voltios. Se necesitarían 10 millones de Tevatrons, el acelerador de partículas más grande del mundo, para alcanzar energías tan altas como estos súper rayos cósmicos.

No hay consenso científico sobre cómo o dónde se originan los rayos cósmicos con estas energías ultra altas, pero existen razones de peso para creer que deben originarse fuera de nuestra Vía Láctea. Aunque aún no se ha confirmado ninguna fuente en el cosmos que pueda producir tales energías, se han propuesto varias hipótesis, como puntos calientes de las radio-galaxias o chorros de núcleos galácticos activos.

¿Cómo detectamos los rayos cósmicos desde la Tierra?

Cuando una partícula de un rayo cósmico llega a la Tierra, colisiona con un núcleo en la atmósfera, produciendo muchas partículas secundarias, que comparten la energía de la partícula primaria original. Las partículas secundarias posteriormente colisionan con otros núcleos en la atmósfera, creando una nueva generación de partículas energéticas que continúan el proceso, multiplicando el número total de partículas. La cascada de partículas resultante, llamada "partículas atmosféricas", llega al nivel del suelo con miles de millones de partículas energéticas que se extienden sobre un área aproximada de 16 km².

Los rayos cósmicos con energías superiores a 1019 eV llegan a la Tierra a una velocidad de solo 1 partícula por kilómetro cuadrado por año. Los rayos cósmicos especialmente interesantes, que tienen energías de más de 1020 eV (equivalente a la energía cinética de una pelota de tenis que viaje a 85 kilómetros por hora, pero concentrada en un solo protón), tienen una tasa de llegada estimada de solo 1 por kilómetro cuadrado por siglo! Por eso, para registrar una gran cantidad de estas partículas, los observatorios destinados a detectar los rayos cósmicos de alta energía necesitan espacios muy amplios.