Rayos cósmicos: qué son, origen y cómo los detectamos

Cada segundo, miles de partículas subatómicas provenientes del espacio profundo atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Eso son los rayos cósmicos: un bombardeo constante, invisible y silencioso que la Tierra recibe desde todas las direcciones. Algunas de estas partículas viajan a velocidades cercanas a la de la luz y cargan más energía que cualquier cosa que un acelerador de partículas construido por humanos haya logrado producir.

El problema es que todavía no sabemos exactamente de dónde vienen. Después de más de un siglo de investigación, el origen de los rayos cósmicos de mayor energía sigue siendo uno de los problemas abiertos más fascinantes de la astrofísica. Acá explicamos qué son, qué se sabe de su origen y cómo los científicos logran detectarlos.

¿Qué son exactamente los rayos cósmicos?

El nombre puede engañar. No son rayos ni son luz. Según el sitio del Observatorio Pierre Auger de Argentina, los rayos cósmicos son partículas —en su mayoría protones (núcleos de hidrógeno) o núcleos de átomos más pesados como helio, carbono o hierro— que llegan desde el espacio exterior y bombardean la Tierra de forma continua.

También pueden ser electrones, antiprotones o incluso núcleos atómicos completos. Lo que los define no es su composición, sino su energía: son partículas aceleradas a velocidades extremas por procesos astrofísicos que todavía no comprendemos del todo.

El término fue acuñado por el físico estadounidense Robert Andrews Millikan luego de sus propias mediciones, que confirmaron que la radiación tenía origen externo al sistema solar. Antes de eso, se creía que la ionización del aire atmosférico se debía exclusivamente a la radiactividad terrestre.

El descubrimiento: un globo aerostático y un físico austriaco

La historia del descubrimiento de los rayos cósmicos tiene fecha exacta: 7 de agosto de 1912. Ese día, el físico austriaco Victor Franz Hess subió a 5.300 metros de altitud en un globo aerostático con tres electrómetros de precisión. Lo que midió cambió la ciencia para siempre.

La tasa de ionización —es decir, la cantidad de aire ionizado— se multiplicaba aproximadamente por cuatro respecto al nivel del suelo. Eso contradecía la hipótesis de que la fuente era terrestre: si fuera así, la ionización debería disminuir con la altitud, no aumentar.

Hess también realizó un ascenso durante un eclipse solar casi total. Aunque la Luna bloqueaba la mayor parte de la radiación solar visible, la ionización seguía aumentando con la altura. Su conclusión fue directa: "La mejor explicación al resultado de mis observaciones viene dada por la suposición de que una radiación de un enorme poder de penetración entra en nuestra atmósfera desde arriba." En 1936 recibió el Premio Nobel de Física por ese descubrimiento, según documenta Wikipedia en su artículo sobre radiación cósmica.

Años antes, en 1909, Theodor Wulf ya había desarrollado el primer electrómetro y medido niveles más altos de radiación en la cúspide de la Torre Eiffel que en su base, aunque su trabajo no tuvo gran repercusión. En 1911, Domenico Pacini observó variaciones de ionización bajo la superficie del agua y concluyó que una parte de esa ionización no podía venir de la Tierra.

Origen de los rayos cósmicos: lo que sabemos y lo que no

El origen de los rayos cósmicos sigue siendo, en parte, un misterio. Lo que la ciencia tiene claro es que depende de la energía de las partículas.

Rayos cósmicos de baja energía: el Sol

El Sol emite rayos cósmicos de baja energía, especialmente durante erupciones solares intensas. Pero estos eventos no son frecuentes ni suficientes para explicar el flujo constante que se mide en la Tierra. Como señala la Wikipedia en español, los fenómenos solares "no son motivo de explicación del origen de esta radiación".

Rayos cósmicos de energía media: supernovas

Las explosiones de supernovas dentro de nuestra propia galaxia son responsables, al menos, de la aceleración inicial de gran parte de los rayos cósmicos de energía media. Los restos de estas explosiones son fuentes potentes de radio, lo que implica la presencia de electrones de muy alta energía. Es el mecanismo más aceptado para partículas en ese rango.

Rayos cósmicos ultraenergéticos: el gran enigma

Acá es donde el problema se complica. En 2007, el grupo de científicos del Observatorio Pierre Auger en Argentina publicó evidencias de que la mayor parte de las partículas de más alta energía provenía de la dirección de la constelación de Centaurus, que contiene una galaxia con núcleo activo alimentado por un agujero negro supermasivo. Fue un hallazgo que inauguró, según la fuente, una nueva rama de la astronomía.

Aun así, el problema no está cerrado. Según el sitio del propio Observatorio Auger, hay varias hipótesis en discusión:

• Que sean protones provenientes de fuentes extragalácticas cercanas, cuyas trayectorias se desvían por los campos magnéticos galácticos e intergalácticos.
• Que sean núcleos atómicos pesados con carga eléctrica alta, lo que explicaría la mayor desviación magnética observada.
• Que sean neutrinos, partículas sin carga que no sufren desviaciones magnéticas y pueden viajar distancias arbitrariamente largas sin ser frenadas.
• Que sean el producto del decaimiento de partículas hipotéticas de masa muy grande, formadas cuando el universo era denso y caliente en sus primeras etapas tras el Big Bang.

Ninguna de estas hipótesis está confirmada de forma definitiva. Hacen falta más datos, y para eso se construyeron detectores de escala inédita.

Cómo se detectan los rayos cósmicos

Detectar directamente un rayo cósmico ultraenergético es prácticamente imposible: la atmósfera los detiene antes de que lleguen al suelo. Lo que se detecta es la cascada de partículas secundarias que generan al chocar con moléculas de aire a gran altitud.

Cuando una partícula cósmica de alta energía impacta una molécula de aire, produce una cascada de miles de millones de partículas secundarias que se extienden en un cono y finalmente llegan a la superficie terrestre. Esa cascada —llamada shower o lluvia de partículas— es lo que los detectores registran.

El Observatorio Pierre Auger

El detector más grande del mundo para este propósito es el Observatorio Pierre Auger, ubicado en la provincia de Mendoza, Argentina. Cubre una superficie de 3.000 km² —comparable al tamaño de Rhode Island— y utiliza un diseño híbrido que combina dos técnicas distintas.

La idea surgió alrededor de 1991, cuando el Premio Nobel James Cronin, de la Universidad de Chicago, y el físico Alan Watson, de la Universidad de Leeds, diseñaron el proyecto. El objetivo era claro: detectar al menos un centenar de rayos cósmicos de la mayor energía por año, acumulando estadística suficiente en 20 años de operación.

Las dos técnicas del Auger son:

• Detectores de superficie: 1.660 tanques llenos de agua ultrapura distribuidos en cuadrícula sobre la pampa. Cuando una partícula secundaria los atraviesa, emite luz Cherenkov que los fotosensores registran.
• Telescopios de fluorescencia: 27 telescopios ubicados en cuatro edificios en el perímetro del arreglo. Observan la luz ultravioleta que emite el nitrógeno del aire al ser excitado por el paso de la cascada.

La combinación de ambas técnicas permite medir con mayor precisión la energía, la dirección de llegada y la composición del rayo cósmico primario.

Detectores en el espacio

Además de los detectores en tierra, existen telescopios espaciales diseñados para estudiar rayos cósmicos directamente, sin la interferencia de la atmósfera. Según el Anexo de Telescopios Espaciales de Wikipedia, varios instrumentos han sido lanzados para este propósito, incluyendo misiones que recolectan núcleos de rayos cósmicos y electrones.

El Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, lanzado por la NASA el 11 de junio de 2008 y todavía activo en órbita a 555 km, estudia fuentes de alta energía directamente relacionadas con los mecanismos de aceleración de rayos cósmicos, como supernovas, púlsares y núcleos galácticos activos.

¿Cuánta energía tienen?

La escala de energías de los rayos cósmicos es difícil de dimensionar. Los más energéticos registrados alcanzan valores del orden de 10²⁰ electronvoltios (eV). Para comparar: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN produce colisiones de alrededor de 10¹³ eV. Es decir, una sola partícula cósmica de la mayor energía puede llevar diez millones de veces más energía que cualquier partícula producida artificialmente.

La rareza es proporcional a la energía. Según el Observatorio Pierre Auger, las partículas de energía cercana a 10²⁰ eV caen apenas tres o cuatro por kilómetro cuadrado por siglo. Un detector de tamaño convencional debería esperar 100 años entre evento y evento, lo que hace inviable cualquier estudio estadístico con instrumentos pequeños. De ahí la necesidad de observatorios del tamaño del Auger.

¿Representan algún peligro?

A nivel del suelo, prácticamente ninguno. La atmósfera terrestre actúa como un escudo: absorbe y fragmenta las partículas antes de que alcancen la superficie con energía suficiente para causar daño. La dosis de radiación cósmica que recibe una persona a nivel del mar es mínima y forma parte de la radiación de fondo natural.

La situación cambia a grandes altitudes. Las tripulaciones de aviones comerciales reciben dosis de radiación cósmica significativamente mayores que las personas en tierra, aunque dentro de límites considerados seguros según las regulaciones internacionales. En el espacio, sin la protección atmosférica, la exposición es un factor de riesgo real para astronautas en misiones largas. El vehículo Mars Science Laboratory midió por primera vez los niveles de radiación ionizante en otro planeta el 7 de agosto de 2012 —exactamente 100 años después del vuelo de Hess— usando su instrumento RAD (Radiation Assessment Detector).

Preguntas frecuentes

¿Los rayos cósmicos son radiactividad?

No exactamente. La radiactividad es la emisión de partículas o energía por la desintegración de núcleos atómicos inestables. Los rayos cósmicos son partículas aceleradas por procesos astrofísicos externos. Aunque ambos fenómenos involucran radiación ionizante, son mecanismos distintos con fuentes diferentes.

¿Por qué no podemos ver de dónde vienen?

Porque la mayoría de los rayos cósmicos tienen carga eléctrica y los campos magnéticos del espacio intergaláctico y de la Vía Láctea desvían sus trayectorias durante el viaje. Cuando llegan a la Tierra, ya no apuntan hacia su fuente original. Solo los neutrinos, sin carga, viajan en línea recta, pero son extremadamente difíciles de detectar.

¿El Observatorio Pierre Auger es visitable?

Sí. El Observatorio Pierre Auger tiene un centro de visitantes en la ciudad de Malargüe, Mendoza, Argentina, abierto al público. Ofrece recorridos gratuitos en varios idiomas donde se pueden ver los detectores de superficie y aprender sobre la investigación en curso. Es uno de los pocos megaexperimentos científicos del mundo accesibles al turismo.

¿Cuándo se descubrieron los rayos cósmicos?

El descubrimiento formal se atribuye a Victor Hess en 1912, aunque hubo trabajos previos de Theodor Wulf y Domenico Pacini que apuntaban en la misma dirección. Hess recibió el Premio Nobel de Física en 1936 por su hallazgo.

¿Qué diferencia hay entre rayos cósmicos y rayos gamma?

Los rayos gamma son fotones de alta energía, es decir, radiación electromagnética. Los rayos cósmicos son partículas con masa (protones, núcleos, electrones). Aunque ambos se originan en procesos astrofísicos violentos y pueden tener energías similares, su naturaleza física y su interacción con la materia son distintas.