Rayos cósmicos

¡Ataque extraterrestre!

informes — por el 03/12/2009 a las 11:42

Están entre nosotros y ni siquiera lo advertimos. Llegan todo el tiempo, de todas las direcciones del cosmos, nos atraviesan discretamente y siguen su camino. El origen de los rayos cósmicos, que desvela a los físicos a partir de su descubrimiento, motivó la instalación de uno de los centros cosmológicos más importantes del mundo: el observatorio Pierre Auger, en Mendoza.

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El observatorio Pierre Auger, en Malargüe, provincia de Mendoza.

Como una lluvia incesante, ametrallan sin pausa nuestro planeta desde que existe como tal. Son las partículas más energéticas de la naturaleza y provienen de todas las direcciones del cosmos, por el que viajan a velocidades cercanas a la de la luz. Aunque ningún lugar dela Tierraestá exento de sufrir este ataque, algunas regiones resultan más perturbadas que otras. Hablamos de la radiación cósmica, un conjunto de partículas subatómicas que mantiene en vilo a una parte de la comunidad científica. Es que, a décadas de su descubrimiento, todavía es un misterio qué son, en qué lugares del Universo se originan y cómo adquieren semejante velocidad los rayos cósmicos de mayor energía.

Se sabe que la mayor parte de la radiación cósmica que hostiga nuestro mundo procede de la galaxia que habitamos,la Vía Láctea.En efecto, el Sol y la explosión de ciertas estrellas relativamente cercanas son las fuentes principales de los rayos cósmicos más frecuentes, llamados “de baja energía”. Una denominación que los desmerece, pues estos corpúsculos pueden contener energías cien millones de veces superiores a las que se logran en los aceleradores de partículas más poderosos que se han construido hasta ahora. En realidad, ese nombre deslucido obedece al hecho de que existe todo un espectro de rayos cósmicos, que empieza en los de baja energía, continúa con los de media y alta energía y termina en los de ultra alta energía.

Por otra parte, también se sabe que, cuanto menos energéticos son, mayor es la frecuencia con la que llegan ala Tierra. Así, los de baja energía impactan cada metro cuadrado de la superficie exterior de la atmósfera a razón de 10.000 por segundo, mientras que los de ultra alta energía lo hacen una vez por siglo por cada kilómetro cuadrado de superficie. “Cada segundo, nuestro cuerpo es atravesado por rayos cósmicos de baja energía, a razón de uno cada diez centímetros cuadrados, el equivalente de la superficie de una mano”, ejemplifica el físico Javier Tiffenberg, integrante del Grupo de Física de Altas Energías dela Facultadde Ciencias Exactas y Naturales dela Universidadde Buenos Aires.

Se calcula que los rayos cósmicos representan alrededor del 30% de la radiación natural que recibe el ser humano, y esta exposición aumenta con la altitud: quienes viven a4.000 metrosde altura reciben siete veces más cantidad de partículas que quienes se encuentran a nivel del mar. De igual manera, quienes viajan en avión deben hacer la multiplicación por 25. Precisamente, los pilotos y los viajeros frecuentes son quienes están más expuestos.

El cielo protector

Segúnla Organización Mundialdela Salud(OMS), la exposición a altas dosis de este tipo de radiación podría conducir al desarrollo de tumores. No obstante,la OMSinforma que los estudios efectuados a los tripulantes de aviones comerciales indican que “hasta ahora hay poca evidencia de que la exposición ocupacional a la radiación cósmica incremente el riesgo de cáncer”.

En cualquier caso, y aun cuando se trata de corpúsculos con energía suficiente como para ionizar la materia (es decir, arrancar electrones de los átomos) la probabilidad de que una partícula de alta energía “golpee” alguna estructura de nuestro organismo es muy baja.

En primer lugar, porque cuando llegan a la atmósfera se encuentran con una muralla que amortigua su potencia: “Como demostró Einstein con su famosa ecuación (E=mc2), la energía y la materia se pueden convertir la una en la otra. De esta manera, cuando alguna partícula de alta energía choca con las moléculas del aire, parte de su energía puede ser transformada en nuevas partículas de menor energía que, a su vez, pueden igualmente generar nuevas partículas de menor energía aún. En definitiva, se produce una especie de efecto cascada que resulta en que, al final, a la superficie dela Tierra llegan millones de partículas pero de mucha menor energía que la original”, explica Tiffenberg.

Por otro lado, aun cuando algún rayo cósmico lograra llegar hasta nuestra piel con mucha energía, es muy posible que nos atraviese sin afectarnos. Porque, debido a que son muy pequeñas, para estas partículas subatómicas somos algo así como un colador con agujeros muy grandes. Pues entre el núcleo y los electrones de los átomos que nos constituyen existe un gran espacio vacío. Por ejemplo, si el núcleo fuera una pelota de fútbol situada en el centro del campo de juego, los electrones estarían en las torres de iluminación del estadio.

Finalmente, como ya vimos, la frecuencia con la que llegan los rayos cósmicos más energéticos es baja, lo cual hace que la probabilidad de que nos provoquen algún daño sea ínfima.

Sorpresas sin límites

A comienzos del siglo pasado ya se conocía la radiactividad y, también, existían dispositivos que permitían detectarla. Pero a los científicos les llamaba la atención que estos aparatos siguieran registrando ese fenómeno aún estando fuera del laboratorio y lejos del elemento radiactivo. Se pensaba entonces que esa rareza era causada por fuentes radiactivas naturales localizadas en la superficie terrestre.

Para contrastar esta hipótesis, en 1912, el físico austríaco Víctor Hess decidió subirse a un globo y ascender hasta los5.000 metrosde altura. Grande fue su sorpresa cuando comprobó que la señal aumentaba con la altitud. Durante los años siguientes, varios investigadores de relevancia para la historia de la física trabajaron arduamente para desentrañar la naturaleza y el origen de esta misteriosa radiación que venía “desde arriba” y que tenía un extraordinario poder de penetración.

En 1938, mediante detectores colocados en las alturas de los Alpes, el físico francés Pierre Auger registró otro evento inesperado: la llegada de partículas extraterrestres que –calculó– traían una energía diez millones de veces superior a las verificadas hasta entonces. Sin embargo, ese acontecimiento energético no fue lo que lo hizo pasar a la historia. De hecho, las partículas detectadas por Auger hoy son consideradas “de baja energía”. Lo que haría famoso al físico francés fue haber notado que ese evento fue registrado exactamente al mismo tiempo por dos detectores situados a muchos metros de distancia entre sí. Esta observación lo llevó a postular que lo que había registrado era una “lluvia” de partículas originada por la llegada de un rayo cósmico a la atmósfera. En otras palabras, que cuando una partícula energética proveniente del espacio exterior choca con las moléculas del aire, provoca una lluvia de partículas secundarias, muchas de las cuales pueden alcanzar la superficie terrestre.

Pero aquí no acabarían las sorpresas. En febrero de 1962, los detectores de Volcano Ranch, en Nuevo México, Estados Unidos, registraron la llegada de una partícula con una energía insospechada hasta ese momento: 1020 electrón voltios (eV) (ver recuadro “Cuestión de energía”).

“Esa cantidad de energía es equivalente a la que lleva una pelota de tenis tras el saque de un jugador profesional, pero toda concentrada en una partícula microscópica. Es como si tomáramos la energía que lleva un camión de 30 toneladas que viaja a100 kilómetrospor hora y se la pusiéramos a un Fiat 600. Con esa energía, el autito tendría una velocidad de800 kilómetrospor hora, lo cual es muy difícil de imaginar”, ilustra el doctor Adrián Rovero, investigador del CONICET en el Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE).

El rayo descubierto por Auger era de 1015 eV, es decir, cien mil veces menos energético que el evento de ultra alta energía registrado en Volcano Ranch. Desde aquel acontecimiento de Nuevo México hasta la actualidad, se han detectado numerosos eventos de mayor energía todavía. El más energético de todos los encontrados hasta ahora –en 1991– es de 3 x 1020 eV, es decir, tres veces más potente que el de 1962. Se puede calcular que esa energía es equivalente a la que tendría un objeto de cinco kilos (un ladrillo, por ejemplo) al llegar al suelo luego de caer desde un metro y medio de altura. Pero, y esto es lo llamativo, toda esa energía estaría concentrada en una sola partícula subatómica.

La sucesiva detección de rayos cósmicos cada vez más energéticos plantea una pregunta: ¿existe un límite de energía para estas partículas?

El límite es el cielo

“Tiene que haber un límite porque, en principio, una sola partícula no puede contener toda la energía del Universo”, señala Rovero.

Algunos límites comenzaron a fijarse en el año 1966, cuando tres investigadores -Greisen, Zatsepin y Kusmin- establecieron que un rayo cósmico que proviniera de fuentes muy lejanas (más allá de los 300 millones de años luz de distancia) no podría llegar a la Tierracon una energía superior a los 5×1019 eV. ¿Por qué? “Porque durante su viaje por el cosmos va perdiendo energía a medida que choca con la radiación cósmica de fondo, que son partículas que llenan todo el Universo”, aclara el doctor Diego Harari, investigador del CONICET en el Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro, y completa: “Esta radiación de fondo se originó en el Big-Bang, y consiste en fotones, como los que forman la luz, en este caso con muy poca energía y omnipresentes”.

Pero, si el límite GZK –llamado así por las iniciales de los tres físicos que lo postularon– es del orden de 1019, ¿cómo se explica que nuestro planeta reciba rayos cósmicos con energías superiores, es decir, del orden de 1020 eV?

“Tienen que venir de una fuente relativamente cercana –situada a menos de 300 millones de años luz– de modo tal que su recorrido no sea demasiado largo y, por lo tanto, su interacción con la radiación de fondo no sea muy significativa”, responde Rovero.

¿De dónde vienen?

Demostrar la existencia del límite GZK ha sido una meta de la investigación en este campo durante los últimos 40 años. Para comprobar si aquella predicción efectuada en 1966 era cierta, resultaba necesario verificar que la cantidad de rayos cósmicos ultra-energéticos que llegan ala Tierradecae abruptamente una vez superado ese límite. Comprobar esta hipótesis hizo imprescindible registrar un número significativo de eventos de ultra alta energía.

Pero, como detectar las partículas cósmicas más energéticas es muy difícil –porque, como ya se dijo, llegan a razón de una vez por siglo por cada kilómetro cuadrado de superficie–, la forma de lograrlo es construir detectores que cubran un área considerablemente grande. Ello motivó –en 1995– la puesta en marcha del Proyecto Auger, un mega emprendimiento situado en la Argentina, con detectores que cubren un área de 3.000 km2, es decir, con una capacidad de registrar unos 30 eventos de ultra alta energía por año (ver recuadro “Colaboración Internacional”). “Recientemente, el experimento HiRes, en Estados Unidos, y el Observatorio Auger, en Mendoza, han verificado que el número de rayos cósmicos disminuye significativamente a las mayores energías, resultado que es compatible con la predicción de1966”, confirma Harari.

En noviembre de 2007, en un artículo publicado en la prestigiosa revista Science, los científicos del proyecto Auger dieron a conocer un resultado que concentró la atención de la prensa mundial: se había dado un gran paso adelante en la resolución del misterio del origen de los rayos cósmicos más energéticos.

Después de registrar 81 eventos que habían llegado a la Tierracon energías superiores a 4×1019 eV, los investigadores analizaron los 27 más energéticos (más de 5,7×1019 eV) y concluyeron que esas partículas no venían de todos lados por igual, sino de ciertos lugares del Universo: “Concluimos que las fuentes de los rayos cósmicos de mayor energía no están distribuidas al azar sino que se correlacionan con la presencia de materia cercana”, revela el doctor Alberto Etchegoyen, investigador del CONICET y representante argentino antela Colaboración Internacional.

En julio de 2009, un trabajo del Observatorio Auger que analizó 58 eventos con energías superiores a 5,5×1019 eV, presentado enla Conferencia Internacional de Rayos Cósmicos celebrada en Polonia, confirmó que las direcciones de llegada de los rayos cósmicos ultraenergéticos están relacionadas con distintos tipos de objetos extragalácticos cercanos.

Si bien se cree que podrían ser galaxias de núcleo activo (con grandes agujeros negros en su centro), también podrían ser otros tipos de galaxias o estrellas que terminan su vida con una gran explosión. Determinar con precisión el origen de estas partículas requiere todavía del registro de más eventos: “Si la naturaleza es buena con nosotros, en los próximos dos o tres años deberíamos identificar las fuentes”, se ilusiona Etchegoyen.

Preguntas sin respuesta

Mientras que el origen de los rayos cósmicos de menores energías se asocia con el viento solar (partículas que salen del Sol) o con ciertas explosiones estelares y que, según parece, los lugares donde nacen los más energéticos están por ser revelados; otras incógnitas permanecen sin contestación.

Por ejemplo, cuál es la composición de la radiación cósmica: “Los rayos cósmicos de bajas energías son predominantemente protones (núcleos de hidrógeno), pero también hay otros núcleos atómicos de elementos más pesados, como el hierro”, responde Rovero.

Pero la cuestión más intrigante es cuál es el mecanismo por el cual se aceleran hasta adquirir energías tan elevadas. “Las condiciones necesarias para acelerar partículas a tan altas energías se dan en pocos escenarios astrofísicos. Se ha especulado con que en lugar de ser partículas convencionales aceleradas en objetos astronómicos, pudieran ser partículas aun desconocidas. Las mediciones recientes del Observatorio Pierre Auger están aportando valiosas claves para resolver este misterio. Sin embargo, el mecanismo por el cual se aceleran hasta adquirir esas enormes energías es aún incierto”, reconoce Harari.

 

Cuestión de energía

1 Ev = energía que adquiere un electrón acelerado por un potencial de un Voltio (las pilas comunes tienen 1.5 Voltios)

104 eV = 10.000 eV = energía de un electrón en el tubo de rayos catódicos de un televisor

106 eV = 1.000.000 eV = ligadura de un protón en un núcleo

1012 eV = 1.000.000.000.000 eV = máxima energía alcanzada en aceleradores de partículas

1020 eV = 100.000.000.000.000.000.000 eV = máxima energía observada de un rayo cósmico

 

Colaboración internacional

En noviembre de 1995, en una reunión celebrada en la sede dela UNESCO, se decidió que la zona de Malargüe, en la provincia de Mendoza, era el mejor lugar para montar el componente austral del Proyecto Auger (se prevé la construcción de otro observatorio en el hemisferio norte).

El emprendimiento, inaugurado oficialmente en noviembre de 2008, cuenta con 24 telescopios de fluorescencia y 1.600 detectores de partículas espaciados uniformemente en un área de 3.000 km2 de superficie (el equivalente a 15 ciudades de Buenos Aires) para medir las lluvias de rayos cósmicos.

Más de 350 físicos de 18 países –entre los que se cuentan Harari, Rovero y Etchegoyen– conformanla Colaboración InternacionalPierre Auger.

 

AMIGA

Auger Muons and Infill for the Ground Array (AMIGA) es una iniciativa enmarcada en el Proyecto Auger que permitirá discernir con mayor precisión la composición y el origen de los rayos cósmicos con energías entre 1017 y 1019 eV (en ese rango podría estar ocurriendo la transición entre los que provienen de nuestra galaxia y los extragalácticos).

Para ello, en un área limitada del emprendimiento, se aumentará la densidad de detectores y, además, se colocarán –enterrados a una profundidad de alrededor de 2,20 metros– contadores de muones, partículas que se producen en los “chubascos” originados por la llegada de un rayo cósmico a la atmósfera. “Hicimos el diseño de la mecánica, la electrónica y las telecomunicaciones, cuenta con orgullo Etchegoyen, investigador principal del proyecto AMIGA, y anuncia: “En enero vamos a instalar el primero”.

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