Rayos Cósmicos
¿Qué son ?
Los rayos cósmicos son partículas que llegan desde el espacio y bombardean constantemente la Tierra desde todas direcciones. La mayoría de estas partículas son protones o núcleos de átomos. Algunas de ellas son más energéticas que cualquier otra partícula observada en la naturaleza. Los rayos cósmicos ultraenergéticos viajan a una velocidad cercana a la de la luz y tienen cientos de millones de veces más energía que las partículas producidas en el acelerador más potente construido por el ser humano.
Estos rayos cósmicos son el objeto de estudio del Observatorio Pierre Auger.
¿De dónde vienen?
Las especulaciones, conjeturas y modelos que proponen soluciones a este enigma son muy variados. Es posible que la mayor parte de los rayos cósmicos más energéticos sean protones provenientes de fuentes externas a nuestra galaxia pero suficientemente cercanas como para que el efecto GZK no los frene. Sus direcciones de arribo no apuntarían a sus verdaderas fuentes pues sus trayectorias se habrían desviado debido al campo magnético de nuestra galaxia y al existente entre galaxias.
Si fuese así, sin embargo, estos campos deberían ser más intensos de lo que actualmente se cree. Una alternativa es que no se trate de protones sino de núcleos con mucha mayor carga eléctrica; a mayor carga más desviación, por lo que el campo magnético galáctico alcanzaría para modificar sus direcciones de arribo incluso a las más altas energías. O podrían ser neutrinos, partículas sin carga, cuyas trayectorias no sufren desviaciones al atravesar campos magnéticos y que tampoco son frenados por los fotones de la radiación cósmica de fondo, por lo cual sus fuentes podrían estar a distancias arbitrariamente grandes.
Acelerar rayos cósmicos hasta energías tan altas como las que se observan, requiere condiciones astrofísicas muy extremas, en el límite de lo que se cree son capaces de producir fenómenos más violentos en las galaxias más activas. Esto ha llevado a los científicos a especular que tal vez los rayos cósmicos no fueron acelerados hasta energías tan altas sino que son el producto del decaimiento de hipotéticas partículas de masas muy grandes formadas cuando el universo era enormemente denso y caliente, en las primeras etapas después del Big Bang.
Otra posibilidad que no puede descartarse, es que se este cometiendo sistemáticamente algún error que hasta hoy haya pasado inadvertido y que cause una sobreestimación de la energía del rayo cósmico. Mediciones recientes realizadas en un experimento llamado HiRes están en conflicto con los resultados de otros observatorios. Si efectivamente existiera una abrupta caída en el número de rayos cósmicos a energías cercanas al umbral de 1020 eV predicha por el efecto GZK, sería muy importante medirla en detalle pues confirmaría su origen cosmológico.
Simplemente hacen falta más datos para decidir si alguna de estas conjeturas es la correcta, o si la respuesta al enigma es algo totalmente inesperado.
En resumen: La mayoría de los rayos cósmicos de menor energía que llegan a la Tierra provienen de algún sitio dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Los rayos cósmicos que estudia el Observatorio Pierre Auger provienen de fuentes fuera de nuestra galaxia. Conocemos pocos procesos físicos que puedan producir partículas con estas enormes energías. Develar el origen de los rayos cósmicos de alta energía permitirá comprender cuáles son las fuentes astrofísicas más energéticas del universo.
¿Cómo se los puede estudiar?
Como estas extrañas partículas de energía cercanas a 1020 eV son una verdadera rareza (caen apenas unas tres o cuatro por kilómetro cuadrado por siglo), hay dos alternativas para detectarlas: o bien construir un detector pequeño, digamos de un kilómetro cuadrado, y esperar en promedio un siglo entre evento y evento, o construir un detector suficientemente grande como para detectar más partículas en un tiempo menor. Los experimentos que hasta el presente han logrado detectar rayos cósmicos con energías superiores a 1020 eV cubren un área efectiva de no mucho más de 100 kilómetros cuadrados, y por ello son poco los eventos detectados.
Fue alrededor del año 1991 que dos destacados físicos, el premio Nobel Dr. James Watson Cronin y el Dr. Alan Watson de Leeds, comenzaron a concebir el plan de construir un inmenso observatorio, abarcando una superficie de 3000 km2. Podrían así observarse un centenar de rayos cósmicos de la más alta emergía cada año, lo que alcanza para acumular una buena estadística a lo largo de 20 años de operación.
Los rayos cósmicos son detectados indirectamente en la superficie de la Tierra, observando cascadas de partículas secundarias que se producen en el aire. Cuando una partícula cósmica choca con una molécula del aire se produce una cascada de miles de millones de partículas que inciden sobre la superficie de la Tierra. Las características de las cascadas es que permiten obtener información sobre la energía, dirección y composición del rayo cósmico primario.
El Observatorio Pierre Auger son dos observatorios en uno, este diseño experimental se llama hibrido, ya que combina dos técnicas distintas y complementarias. Un sistema de telescopios de fluorescencia, que observan la luz producida por la cascada al atravesar la atmósfera y un arreglo de detectores de superficie que registran la llegada de las partículas secundarias a nivel del suelo. Este sistema se denomina “híbrido”.
¿Cuánta energía es la mayor energía?
Se detectan rayos cósmicos en un rango de energías sorprendentemente grande. Hablar de “rayos cósmicos de la mayor energía” sin agregar “hasta hoy detectados” puede parecer un signo de vanidad de los físicos contemporáneos, ya que el valor de la energía más alta observada ciertamente ha ido en aumento con el tiempo desde que los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1912, y bien podría aumentar en el futuro. El nombre utilizado puede justificarse como una abreviación, pero también refleja la sorpresa que representa detectar rayos cósmicos tan veloces, y el misterio que rodea a las potenciales fuentes capaces de producirlos. En todo proceso físico conocido, hay un límite hasta el cual pueden acelerarse las partículas. Los rayos cósmicos hasta ahora no parecen darse por enterados. El actual “record” es de 3,2x1020 eV -electrón voltio- que es más o menos la energía que se transmite a una pelota de fútbol con una buena patada. Los sorprendente es que esta energía esta concentrada en una sola partícula subatómica (la pelota tiene más de 1026), lo que la convierte en una magnitud fabulosa.
¿Qué es un electrón-voltio? Es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Es una energía típica de fenómenos atómicos. Por ejemplo, 13,6 eV alcanzan para desprender al electrón de un átomo de Hidrogeno. Los fotones de luz emitida cuando los electrones de un átomo pasan de un nivel más excitado a otro inferior en un tubo fluorescente tienen una energía de unos pocos eV. En cambio, los fotones de los rayos X tienen una energía del orden de los 1000 eV (kilo-electrón-voltios, o KeV), mientras que un rayo gamma, producto típico de las desintegraciones nucleares, tiene energías cercanas a los millones de eV (mega-electrón-voltios o MeV). El mayor acelerador de partículas elementales, el Tevatrón en el laboratorio Fermi de los EEUU, es capaz de producir protones y antiprotones de una tera-electron-voltio, o sea, un millón de millones de eV. Los rayos cósmicos más veloces tienen cien millones de veces más energía.
La teoría de la relatividad de Einstein permitió entender que la masa de una partícula puede trasformarse en otra forma de energía, por ejemplo radiación electromagnética, y viceversa, respetado la celebre fórmula E=m.c2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, la mayor velocidad posible). Por ejemplo, la masa de u protón en reposo equivale a una energía de 109 eV (mil millones de electrón-voltios). La energía total de una partícula, debida tanto a su masa como a su movimiento, esta dada por la velocidad de la partícula. Si el rayo cósmico de mayor energía que se ha observado es un protón, debe estar moviéndose al 99,999999999999999999999% de la velocidad de la luz, o sea casi a la velocidad de la luz.(1)
Radiación cósmica
Los rayos cósmicos, también llamados radiación cósmica, son partículas subatómicas procedentes del espacio exterior cuya energía, debido a su gran velocidad, es muy elevada: cercana a la velocidad de la luz. Se descubrieron cuando se comprobó que la conductividad eléctrica de la atmósfera terrestre se debe a ionización causada por radiaciones de alta energía.
En 1911, Victor Franz Hess, físico austríaco, demostró que la ionización atmosférica aumenta proporcionalmente a la altitud. Concluyó que la radiación debía proceder del espacio exterior.
El descubrimiento de que la intensidad de radiación depende de la altitud indica que las partículas integrantes de la radiación están eléctricamente cargadas y que las desvía el campo magnético terrestre.
Ernest Rutherford y sus colaboradores, contraria y anteriormente a las experiencias de Hess, supusieron que la ionización observada por el espectroscopio se debía a la radiactividad terrestre, ya que, medidas realizadas en 1910 en la base y la cúspide de la Torre Eiffel, así lo detectaban.
Robert Andrews Millikan acuñó la expresión rayos cósmicos tras sus propias mediciones que concluyeron en que, efectivamente, eran de origen muy lejano, incluso exterior al Sistema Solar.(2)
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