Rayos cósmicos - Juan Antonio Aguilar Sánchez

¿Qué son los rayos cósmicos?

(Por Juan Antonio Aguilar Sánchez)

Capítulo 50 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!

Para explicar los rayos cósmicos hace falta remontarse unos 100 años, al año 1912 cuando Victor Hess finalizaba una serie de viajes en globo aerostático donde equipado con un electroscopio midió cómo la ionización en la atmósfera aumentaba conforme se alejaba de la superficie de la Tierra. El origen de dicha ionización debía ser algún tipo de radiación, y dado que aumentaba con la altura, el origen no podía ser terrestre. En otras palabras, existía, y existe, una radiación proveniente del espacio exterior. Por este hito, a Victor Hess se le conoce como el descubridor de los rayos cósmicos. Sin embargo sería injusto otorgar el mérito solo a Hess dado que muchos físicos antes que él ya habían iniciado el camino que culminaría con sus famosos viajes en globo: Theodor Wulf, Karl Bergwitzy, Domenico Pacini entre otros, fundaron los cimientos de una de las ramas de la física de partículas que dominaría el campo durante los siguientes 40 años hasta el advenimiento de los primero aceleradores de partículas en los inicios de los años 1950.

En los tiempos de su descubrimiento, los rayos cósmicos encerraban numerosos misterios: desde su origen hasta su propia identidad. ¿Qué eran en realidad esos rayos ionizantes? Durante los años 1920 Bruno Rossi y Robert Millikan protagonizaron un animado debate sobre la naturaleza de los rayos cósmicos. Millikan propuso que los rayos cósmicos eran “ultra”-rayos gamma, es decir fotones de muy alta energía creados en la fusión de hidrógeno en el espacio. Las medidas de Rossi, que mostraban una asimetría Este-Oeste en la intensidad de los rayos cósmicos, sugerían en cambio que los rayos cósmicos debían ser partículas con carga eléctrica desmontando las teorías de Millikan. Es famosa la anécdota en la que Rossi, durante la charla introductoria en una conferencia de Roma dijo:

“Claramente Millikan está resentido porque un joven como yo haya hecho pedazos su querida teoría, tanto que desde ese momento se niega a reconocer que existo.”

Cien años después sabemos que en efecto Rossi tenía razón (para el descontento de Millikan). En su mayoría, un 90%, los rayos cósmicos son protones y otros núcleos pesados. La proporción de núcleos es tal que sigue fielmente la abundancia atómica que se puede encontrar en nuestro Sistema Solar, lo que apunta a que el origen de estas partículas es estelar. Existen algunas excepciones, por ejemplo, Litio, Berilio y Boro son núcleos que podemos encontrar entre los rayos cósmicos en una proporción mayor de lo que se encuentra en nuestro entorno. Estos núcleos en realidad se producen por la fragmentación de otros más pesados, Carbono en este caso, a lo largo de su viaje por el espacio. Así pues, la relación de abundancias entre Carbono y Boro, nos da información sobre cuánto tiempo el Carbono ha estado viajando por el espacio. El espectro, o número de partículas por unidad de área y tiempo en función de la energía, también ha sido medido con gran detalle durante los últimos 30 años gracias a la labor de numerosos experimentos. Dicho espectro de rayos cósmicos es sorprendente tanto en su variación como en su rango de energía. El número de partículas, o flujo, cubre 32 órdenes de magnitud, así pues nos encontramos con que las partículas menos energéticas llegan a la Tierra con una frecuencia de una partícula por metro cuadrado cada segundo. Por otro lado, las de más alta energía llegan a un ritmo de una partícula por kilómetro cuadrado, ¡por año! De ahí que los físicos hayan tenido que desarrollar diversas técnicas experimentales para poder medir el espectro de los rayos cósmicos en su totalidad: desde auténticos detectores de partículas enviados al espacio, en satélites o acoplados a la estación espacial internacional, hasta experimentos desplegados en grandes superficie de la Tierra para detectar los rayos cósmicos más energéticos como el Observatorio Pierre Auger que cubre una extensión de unos 3000km² en lo alto de la planicie de la Pampa Amarilla, en Malagüe, Argentina.

Pero lo que hace a los rayos cósmicos realmente fascinantes es la cantidad de energía que éstas partículas pueden alcanzar, muy superior a la que se puede conseguir hoy en día con el acelerador más potente construido por el ser humano, el gran colisionador de hadrones (en inglés Large Hadron Collider, LHC) en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) en Ginebra. El LHC es un anillo subterráneo de 27km de longitud, situado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, Suiza, que usa potentes imanes para acelerar protones al 99.99% de la velocidad de la luz. Pese a lo imponente de este experimento, si tuviéramos que acelerar partículas a las energías de los rayos cósmicos con la misma tecnología necesitaríamos un acelerador del tamaño de la órbita de Mercurio. La velocidad de los rayos cósmicos es tan alta que los efectos de la relatividad especial son realmente considerables. Por ejemplo, pese que el radio de nuestra Galaxia es de unos 100.000 años luz, por la contracción temporal de la relatividad especial los rayos cósmicos más energéticos experimentarían el viaje en tan solo 10 segundos. Cuando llegan a la Tierra los rayos cósmicos se encuentran con 10 kilómetros de atmósfera que, junto al campo magnético de la Tierra, afortunadamente actúan como un escudo y nos protegen de la radiación. Sin embargo, al chocar con los átomos de la atmósfera los rayos cósmicos desencadenan una lluvia de nuevas partículas. Esta lluvia se conoce como rayos cósmicos secundarios y en ellos podemos encontrar una gran fauna de nuevas partículas. Esta es la razón por la que durante muchos años, la física de los rayos cósmicos era el único modo que tenían los físicos de partículas para descubrir y estudiar nuevas partículas. Así pues, siguiendo los pasos de Hess, durante los años 1940 muchos físicos pasaron del laboratorio a globos aerostáticos donde equipados de cámaras de burbujas (una primitiva versión de un detector de partículas) estudiaban esa miríada de nuevas partículas. Entre las nuevas partículas se descubrieron por ejemplo la primera partícula de anti-materia: el positrón, un electrón de carga eléctrica positiva, así como el muon, de propiedades similares al electrón pero de mayor masa.

Pero ¿de dónde vienen los rayos cósmicos? ¿Qué fuente del Universo es capaz de acelerar partículas a tales energías? Esa es la pregunta que, pese a los 100 años desde el descubrimiento de Victor Hess, los físicos aún no hemos sido capaces de resolver por completo. La razón es, sin embargo, fácil de entender. Los rayos cósmicos, al ser partículas con carga eléctrica, son desviados por campos magnéticos durante su viaje por el Universo. Tanto la Vía Láctea como el espacio intergaláctico están inmersos en campo magnéticos, de modo que cuando los rayos cósmicos llegan a la Tierra, su dirección poco o nada tiene que ver con la dirección original lo que imposibilita hacer astronomía. Sin embargo pese a todo, podemos deducir algunas cosas sobre su origen basándonos, por ejemplo, en su energía. Sabemos que los rayos cósmicos de baja energía deben provenir de nuestra propia Galaxia debido a que los campos magnéticos de la Vía Láctea se ocuparían de confinarlos hasta que éstos acabarían interaccionando con la Tierra. En el otro extremo del espectro, en cambio, los rayos cósmicos de energía extremadamente alta (o UHECR por sus siglas en inglés), deben provenir de fuera de nuestra propia Galaxia, puesto que son tan energéticos que los campos magnéticos de sus respectivas galaxias no serían capaces de retenerlos. El punto de inflexión entre esos dos orígenes es incierto, o en otras palabras, se desconoce cuándo exactamente los rayos cósmicos dejan de ser galácticos y pasan a ser extra-galácticos.  Sin embargo futuras medidas de precisión del espectro de energía y de la composición de los UHECR nos podrán dar la pista para resolver esa pregunta.

¿Y cuáles serían las fuentes o los objetos encargados de acelerar estas partículas? Lo cierto es que aquí todo son hipótesis dado que jamás se ha observado directamente una fuente de rayos cósmicos. Uno de los objetos candidatos a fuente de rayos cósmicos galácticos son los remanentes de supernova. Al final del ciclo de vida de una estrella ésta puede explorar liberando gran cantidad de masa y energía. Lo que queda detrás puede ser una estrella de neutrones rodeada de todos los restos que han quedado de la estrella original, esto es lo que se llama remanente de supernova (o SNR, otra vez por sus siglas en inglés). Más difícil es imaginar un acelerador cósmico capaz de acelerar partículas hasta la energía equivalente a un balón de fútbol chutado a 50km/h, que son las energías de los UHECR.  Aquí la lista de sospechosos se reduce considerablemente dado que existen pocos objetos en el Universo con el campo magnético y el tamaño suficiente para actuar como un gran acelerador de partículas. Los candidatos son los núcleos de galaxia activos y las explosiones de rayos gamma. Los núcleos activos de galaxias son núcleos de galaxias con un agujero negro supermasivo en su interior. Estos núcleos muestran unos haces de partículas en dirección opuesta que podrían funcionar como grandes aceleradores.  Por otro lado las explosiones de rayos gamma son los sucesos más violentos conocidos en el Universo y su origen y naturaleza daría para otro capítulo de este libro. De una duración que va desde unos segundos hasta unos minutos, estos eventos son capaces de iluminar todo el cielo liberando su energía principalmente en forma de fotones de muy alta energía.

Pero si los rayos cósmicos nunca apuntan a su fuente, ¿cómo podremos estar jamás seguros de que los núcleos activos o explosiones de rayos gamma son las verdaderas fuentes de rayos cósmicos? Para dar respuesta a este enigma necesitamos de lo que en los últimos años se ha venido llamando la astronomía multi-mensajero. Gracias a la física de partículas sabemos que en las condiciones en las que un protón, por ejemplo, es acelerado a altas energías, se pueden suceder reacciones con la materia de alrededor. Estás interacciones producirían otras partículas como fotones de muy alta energía y neutrinos. Los neutrinos son especialmente interesantes, porque no solo son neutros y por lo tanto viajan en línea recta sin ser desviados por campos magnéticos, sino que son partículas que interactúan débilmente por lo que, al contrario de los fotones, son capaces de atravesar zonas densas del Universo sin ser absorbidos. Identificar varios neutrinos provenientes de una misma zona del cielo sería la prueba inequívoca de que en esa dirección existe una fuente de rayos cósmicos. La dificultad de hacer astronomía de neutrinos deriva precisamente de su virtud: al ser partículas extremadamente elusivas se necesitan detectores de gran tamaño para poder detectarlas.

Hoy en día, el detector de neutrinos más grande del mundo se encuentra en el Polo Sur y consiste en un kilómetro cúbico de hielo Antártico equipado con unos 5.160 fotomultiplicadores. El telescopio IceCube, un nombre que describe muy bien su morfología, es capaz de detectar neutrinos en un gran rango de energías y por tanto identificar neutrinos de varios orígenes. En el año 2013, la colaboración anunció las primeras detecciones de neutrinos de alta energía, compatibles con un origen astrofísico. Sin embargo con apenas un puñado de esos neutrinos aún no es posible identificar las fuentes de rayos cósmicos. Es por ello, que la colaboración ya está pensando en agrandar el telescopio un orden de magnitud. Este nuevo ambicioso proyecto llamado IceCube-Gen2, podrá detectar fuentes 5 veces más débiles que su predecesor y resolver por fin el misterio del origen de los rayos cósmicos.

Juan Antonio Aguilar Sánchez

Doctor en Ciencias Físicas.

Investigador, iihe – Université Libre de Bruxelles.