Desarrollo III. Rayos cósmicos.

Historia y descubrimiento

  Para viajar a Marte podemos encontrar numerosos problemas que hacen muy difícil el viaje o lo imposibilitan. Uno de los principales problemas es la cantidad de radiaciones electromagnéticas a las que los astronautas están sometidos durante el trayecto de la Tierra a Marte. Dentro de estas numerosas radiaciones encontramos los rayos cósmicos, o radiación cósmica, que es de las más perjudiciales para los humanos. Los rayos cósmicos son partículas subatómicas procedentes del espacio exterior. Tienen una energía muy elevada debido a su alta velocidad, la cual está muy cercana a la velocidad de la luz. Estos rayos cósmicos fueron descubiertos tras comprobar que la ionización causada por radiaciones de alta energía, daba lugar a la conductividad eléctrica de la atmósfera terrestre. 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. 

Fuente: Astrocosmos

  En 1896, Henri Becquerel descubre la radiactividad, esto da lugar a la aceptación de que la electricidad atmosférica (ionización del aire) estaba provocada por la radiación generada por elementos radiactivos del suelo y por los gases radiactivos o isótopos de radón que estos producen. Más tarde durante la década de 1900 a 1910, una medición acerca de la tasa de ionización (ritmo de ionización del aire) respecto a la altitud demostró un descenso debido al aire interpuesto que absorbía la radiación ionizante.


  En 1909, Theodor Wulf realizó el primer electrómetro, un instrumento destinado a la medición de la tasa de producción de iones en el interior de un contenedor sellado herméticamente Con este instrumento, Wulf demostró que la radiación ionizante era mayor en la cúspide de la Torre Eiffel que en su base. Unos años más tarde, en 1911, Domenico Paccini observó las variaciones de la tasa de ionización sobre un lago, sobre el mar y a 3 metros bajo el suelo, simultáneamente y obtuvo como conclusión que una parte de la ionización se debe a fuentes distintas de la radiactividad terrestre. 

  En 1912, Victor Hess utilizó un globo aerostático para elevar tres electrómetros de Wulf con una mejorada precisión a una altura de 5300 metros sobre el nivel del mar dando cuenta de que la tasa de ionización era aproximadamente 4 veces mayor que en la superficie. Realizó un nuevo ascenso al mismo tiempo que tenía lugar un eclipse solar, en el que la Luna bloquea la mayor parte de la radiación solar visible, descartando al Sol como fuente de esta radiación ya que seguía teniendo unos valores semejantes a su anterior medición en unas condiciones ´´normales´´.  Hess realizó una última medida de la tasa de ionización en aumento con la altura y termino concluyendo: “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”. Al año siguiente, en 1913, Werner Kolhörster midió el incremento de la tasa de ionización a 9 kilómetros de altitud confirmando las observaciones de Hess.

Fuente: Wikipedia

  En esta gráfica podemos observar la representación de manera gráfica del incremento de la tasa de ionización con la altitud medida. A la izquierda encontramos el estudio realizado en 1912 por Victor Hess. A la derecha tenemos el estudio de Werner Kolhörster.     

Fuente: doctor Tamashiro

  Una década más tarde, hacia 1926, el físico estadounidense denominó a esta radiación como “rayos cósmicos” debido a que el suponía que los rayos gamma, la radiación más penetrante conocida hasta el momento en esa época, eran los protagonistas del aumento de la tasa de ionización en función de la altura. Actualmente sabemos que la mayoría de esta radiación cósmica está compuesta por núcleos de átomos, de los cuales, alrededor de un 90% son protones, un 9% de núcleos de Helio y finalmente, en una pequeña proporción, rayos gamma y electrones.

  Pasados varios años, a finales de los años 30, Pierre Auger notificó la coincidencia en el tiempo entre distintas detecciones de rayos cósmicos con una separación entre ellos de varias decenas de metros. Esto le hizo afirmar que aquellos rayos cósmicos eran partículas secundarias procedentes de un mismo origen. Posteriormente, realizó una nueva medición en los Alpes suizos donde colocó diversos detectores de rayos cósmicos separados 200 metros entre sí, haciéndole concluir que estos eventos sucedidos eran causados por una cascada de partículas secundarias, que posteriormente explicaremos detalladamente, originadas por la interacción de un único rayo cósmico con la alta atmósfera, lo que dio lugar a la estimación de la energía de estos rayos cósmicos que está por encima de los 10^15 eV (electrón voltio), lo que equivale a 1,60217*10^-3 Julios.

  Tras muchos experimentos y mediciones realizadas a posteriori, se pudo conocer el espectro de estos rayos cósmicos, con el que se pudo conocer su comportamiento. En la siguiente gráfica se ve reflejado el espectro de los rayos cósmicos.

Fuente: doctor Tamashiro

  Estudiando esta gráfica podemos observar que el flujo de rayos cósmicos sufre una variación desde 10^4 partículas por segundo por metro cuadrado en 10^9 eV, hasta 1 partícula por kilómetro cuadrado por siglo en aproximadamente 10^20 eV.

  Es necesario el uso de diferentes técnicas de medición. Para la medición de bajas energías, es decir con su flujo es elevado, se realiza una medición directa mediante instrumentos situados en satélites o globos aerostáticos. Cuando las energías son altas nos es factible el empleo de mediciones directas, es por ello que son necesarias grandes áreas de colección y un mayor tamaño del calorímetro (un dispositivo para medir cualquier constante térmica, en especial el calor específico de un cuerpo, así como las cantidades de calor que desprenden o absorben los cuerpos). Por ello, se recurre a detectores en tierra que cubren grandes áreas empleando a la atmósfera como calorímetro.

Origen

  El origen de estos rayos cósmicos no está claro aún. Se sabe que, en los periodos en que se emiten grandes erupciones solares, el Sol emite rayos cósmicos de baja energía, pero estos fenómenos estelares no son frecuentes. Por lo tanto, no son motivo de explicación del origen de esta radiación. Tampoco lo son las erupciones de otras estrellas semejantes al Sol. En 2007, un grupo de científicos argentinos del Observatorio Pierre Auger realizó un descubrimiento que inauguró una nueva rama de la astronomía.

Fuente: Constelaciones

  Este grupo encontró evidencias de que la mayor parte de las partículas de los rayos cósmicos proviene de una constelación cercana: Centaurus. Esta constelación contiene una galaxia de núcleo activo, cuyo núcleo se debe a la existencia de un agujero negro (probablemente supermasivo), al caer la materia a la ergosfera del agujero negro y rotar velozmente.

Dinámica de los rayos cósmicos

  Es sabido en la sociedad, o al menos en una cantidad considerable de ella que para que un cuerpo, que tenga al menos una minúscula masa, realice un desplazamiento, aunque este cuerpo y este desplazamiento no sean observables a simple vista, es necesario la aplicación de una fuerza sobre dicho cuerpo. Somos conscientes de que al asestar una patada a un balón, este se mueve porque nosotros le aplicamos una fuerza al balón. Pasa igual cuando nosotros saltamos, nosotros caemos, y esto es debido a una fuerza ejercida por el núcleo de la Tierra, que es la gravedad. La fuerza de la gravedad en nuestro planeta es equivalente a 9,8 m/s^2= 9,8 N/Kg. Esta magnitud es sencillamente obtenible aplicando la segunda ley de Newton o ley fundamental de la dinámica. Fuerza sobre una masa m´ en presencia de otra masa m.

 F=-G (m*m´)/r^2 

  En esta fórmula F es la fuerza que ejerce m (la Tierra en el caso explicado anteriormente) sobre m´ (la masa de nuestro cuerpo. G hace referencia a la constante de Gravitación Universal y equivale a 6,67*10^(-11) N*m^2/Kg^2. Por último r es la distancia entre ambas masas (en nuestro caso, el radio de la Tierra 6370 Km).

  Como anteriormente se ha dicho, para que un cuerpo se mueva, necesita una fuerza que le ayude a iniciar ese movimiento. En ese mismo instante el cuerpo que inicia el movimiento adquiere una aceleración que va a hacer que el cuerpo este en constante movimiento hasta que una fuerza opuesta a ese movimiento haga que vaya disminuyendo su velocidad hasta detenerse. Esto es extrapolable en todos los lugares del espacio, un cuerpo le aplica una fuerza a otro, obteniendo este último una aceleración que le va a dotar de una velocidad, que si no es reducida por ninguna fuerza hasta pararse, continuará desplazándose. 

  A continuación, se va a explicar cómo obtienen esta aceleración los rayos cósmicos.

Aceleración de los rayos cósmicos

  El físico y matemático Joseph Larmor elaboró un teorema llamado Teorema de Larmor que dice así: “siempre que se tenga una partícula cargada en una órbita limitada en una región finita (está limitada) del espacio en la que actúa un campo de fuerzas centrales, la adición de un pequeño campo magnético produce un movimiento adicional de precesión superpuesto al movimiento no perturbado de la partícula cargada, cuyo campo magnético es 0”.

Fuente: Wikipedia/Teorema de Larmor

  En esta imagen se puede apreciar la trayectoria que describe la partícula (línea curva verde) como reacción a la adición de un campo magnético.

  A partir de este teorema y las palabras del doctor Tamashiro, podemos considerar que las partículas cargadas son aisladas en el lugar de aceleración debido a la presencia de un campo magnético, pudiendo estimar el tamaño de la región de aceleración mediante el radio de Larmor de la partícula.

Radio de Larmor

En esta fórmula, p es el momento de la partícula perpendicular al campo magnético B y Ze la carga de la partícula. El campo magnético debe ser tan sumamente débil para que las pérdidas generadas por radiación de sincrotrón (radiación electromagnética generada por partículas cargadas (por ejemplo electrones) que se mueven en función de una trayectoria curva a alta velocidad en un campo magnético) sean menores que la ganancia de energía de la partícula.

  Varios modelos de fuentes astrofísicas se valen de los mecanismos de aceleración de Enrico Fermi (físico italiano) de segundo y primer orden para explicar la generación de rayos cósmicos energéticos, de la cual se hablará en apartados posteriores.

  En 1949, Enrico Fermi propuso un mecanismo de aceleración mediante el que las partículas se aceleraban debido a su interacción con una nube de plasma magnetizado (ejemplo de esta nube de plasma es la siguiente imagen) en movimiento. La partícula, que está cargada, al entrar en la nube, su trayectoria es desviada por las inhomegeneidades magnéticas (zonas donde el campo magnético no es homogéneo) y finalmente, esta partícula es expulsada.

Fuente: buscandolaverdad.com

  Algunos grupos teóricos fueron inspirados por el modelo propuesto por Fermi en 1494, planteando así la existencia de inhomogeneidades magnéticas a ambos lados de una onda de choque, terminando con la formulación de un mecanismo de aceleración más eficiente “aceleración de Fermi de 1er orden”, que tiene lugar cuando la partícula realiza un ciclo de ida y vuelta atravesando el frente de onda. La trayectoria de esta partícula es desviada por las turbulencias magnéticas, induciéndolas a atravesar el límite entre la zona pre y post-choque.

  En relación con estas ondas de choque vamos a enumerar algunas de las distintas fuentes astrofísicas que tienen capacidad de generar ondas de choque, en las que las partículas con carga pueden ser aceleradas hasta velocidades relativistas mediante la “aceleración de Fermi de 1er orden”. Encontramos remanentes de supernova (es la estructura nebulosa que resulta de la gigantesca explosión de una estrella como supernova), (ejemplo de estos remanentes de supernova es la siguiente foto) micro cuásares (objetos galácticos con características similares a los cuásares, una fuente astronómica de energía electromagnética, que incluye radiofrecuencias y luz visible), eruptores de rayos Gamma, etc... Gracias a estos mecanismos, los remanentes de supernova tienen la capacidad de acelerar partículas a 10^15eV, pudiendo llegar a alcanzar los 10^17eV. 

Fuente: muyinteresante.es

  Las energías máximas que una partícula puede alcanzar en fuentes en las que tiene lugar el mecanismo de Fermi de primer orden dependen del lapso en el que las partículas cargadas están interactuando con el plasma magnetizado. Disponiendo de una fuente permanentemente activa, la partícula dejará de acelerarse cuando logre escapar de la zona de aceleración, o cuando el radio de Larmor de la partícula, anteriormente explicado, se aproxime a las dimensiones de la fuente. Utilizando estos argumentos, el científico Michael Hillas formuló una expresión para determinar la cantidad máxima de energía que una partícula cargada puede alcanzar en función de la intensidad del campo magnético y del tamaño de las fuentes de aceleración de las partículas:

  El gráfico mostrado a continuación explica la condición expresada en la ecuación de Michael Hillas, en la que podemos considerar que para partículas con energías de 10^(20 ) eV, exclusivamente algunas fuentes astrofísicas satisfacen la ecuación.

Fuente: doctor Tamashiro

  En este diagrama de Hillas se muestra la relación entre el tamaño del campo magnético de los posibles escenarios de aceleración de rayos cósmicos. Aquellos objetos, cuya posición el diagrama esté por debajo de las líneas diagonales, no pueden acelerar las partículas que se dibujan hasta las energías indicadas.

Propagación de los rayos cósmicos

  A sabiendas que las partículas aceleradas son capaces de escapar del lugar donde fueron generadas, es de considerar su propagación hasta que alcanzan nuestro planeta. En primer lugar, si la partícula fue originada en nuestra galaxia, esta partícula debe atravesar primeramente el medio interestelar, para posteriormente llegar a la Tierra. Si por el contrario, su origen es extra galáctico, esta partícula atraviesa el medio interestelar de la galaxia en la que fue originada, después, atravesar el medio intergaláctico y finalmente viajar por el medio interestelar de la vía láctea. En su trayecto hacia la Tierra, las partículas atraviesan nubes de gases neutros y nubes ionizadas, principalmente de hidrógeno, sufriendo desviaciones en su trayectoria debido a las componentes del campo magnético uniforme y caótico. Hablaremos sobre la propagación de los rayos cósmicos dentro de nuestra galaxia primeramente, y después hablaremos de la propagación de estos rayos cósmicos en el medio intergaláctico.

  En relación con la propagación de estos rayos cósmicos en nuestra galaxia, existe un amplio consenso en que las fuentes de los rayos cósmicos en el rango de las bajas energías (˃10^17 eV) están ubicadas en nuestra galaxia, aunque no existe un pleno consenso sobre la fuente que los provee para posteriormente ser acelerados. Existe en general un gran acuerdo, el mecanismo de aceleración dominante en estas fuentes galácticas es el mecanismo de Fermi de primer orden, llegando a alcanzar energías de entere 10^17 y 10^18 eV, y en escenarios particulares, este límite puede ser aumentado hasta, aproximadamente, 10^19 eV.

  Desde el punto de vista de la propagación de partículas cargadas en el medio interestelar, es de notoria importancia saber que la galaxia es un medio magnetizado, en el que las escalas de las estructuras del campo magnético son del orden de los kpc (kilo parsec, una unidad de medida utilizada en astronomía) y las intensidades típicas son del orden de unos pocos micro Gauss (unidad de campo magnético del Sistema Cegesimal de Unidades (CGS)). Estas características convierten la galaxia en una eficiente región de confinamiento de partículas cargadas de baja energía.

  Así como las partículas de la galaxia logran escapar de los campos magnéticos del medio interestelar, partículas extra galácticas son capaces de penetrar dentro de la región de confinamiento galáctico. Es sabido que no existen evidencias firmes observables, pero se especula a cerca de la existencia en el medio intergaláctico de una componente turbulenta del campo magnético.

Fuentes de rayos cósmicos de ultra-alta energía

  Según nos cuenta el doctor Tamashiro, existen diferentes posibilidades a cerca de las fuentes de generación de rayos cósmicos de diferentes energías. Una de ellas son las estrellas neutrónicas, ejemplo de ellas es la primera imagen. La aceleración de los protones y núcleos se daría a través del campo eléctrico intenso generado mediante la rotación rápida de estos objetos compactos y altamente magnetizados.

Fuente: notaculturaldeldia

  Núcleos activos de galaxias. Los chorros de partículas y lóbulos de radio observados en galaxias activas son del producto del incremento del incremento de materia en agujeros negros súper masivos, cuya localización está en las regiones centrales de dichas galaxias. En principio, el núcleo de las galaxias activas es capaz de acelerar partículas mediante la inducción unipolar, al igual que las estrellas neutrónicas.

Fuente: cosmonoticias

  Radio galaxias Fanaroff-Riley II. Este tipo de radio galaxias presenta chorros tenues que finalizan en lóbulos brillantes. Se estima que la energía es eficientemente transportada en estos chorros, desde el centro hasta los extremos donde se encuentran las manchas calientes, precisamente, en este lugar se especula que son acelerados los rayos cósmicos. 

  Remanente de supernova. El colapso gravitacional de una estrella de gran masa, en su etapa final de vida, genera una explosión de supernova liberando una gran energía de forma concentrada espacial y temporalmente. El material eyectado a causa de esta explosión desplaza y comprime al material interestelar vecino, lo que da lugar a una onda de choque. El núcleo de la estrella sobreviviente a dicha explosión genera partículas relativistas y campos magnéticos en las regiones vecinas durante miles de años. El núcleo, las eyecciones estelares y el gas interestelar barrido configuran lo que se denomina remanente de supernova. Existe un general consenso en que los rayos cósmicos de energías ubicadas por debajo de la rodilla (especificado en la gráfica del espectro de los rayos cósmicos) son producidos en esta onda expansiva.

  Por último encontramos los “Gamma Ray Bursts”. Son destellos de fotones de altas energías los cuales pueden ser más brillantes, durante su corta existencia, que cualquier otra fuente de rayos gamma en el cielo. Dependientemente de su duración se formularon diferentes modelos teóricos. Uno de los cuales especula que estos eventos son el producto de la disipación de la energía cinética por vientos relativistas de plasmas en expansión. Existen algunas similitudes entre los Gamma Ray Bursts y los rayos cósmicos de ultra alta energía que indicarían un origen común. Además, la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de volumen emitida por las fuentes en forma de Gamma Ray Bursts es comparable a la de los rayos cósmicos.

Fuente: livescience

Rayos cósmicos en la atmósfera terrestre

  Los rayos cósmicos primarios, al llegar a la Tierra interactúan con núcleos de átomos de la atmósfera a una altitud de entre 15 y 60 km, dependiendo de su naturaleza, dando lugar al inicio de una cascada de partículas secundarias. La interacción primaria produce hadrones que interactúan y decaen: los piñones neutros resultantes actúan como fuentes de sublluvias electromagnéticas, en las que los electrones se encuentran entre las partículas más abundantes. Sólo una fracción de la lluvia llega a nivel del suelo. Los muones y neutrinos son las únicas especies capaces de propagarse de forma subterránea llegando a alcanzar profundidades significativas. Estudiar los efectos de los rayos cósmicos en la atmósfera terrestre es esencial porque gracias a esos efectos podemos detectar los rayos cósmicos estimando su dirección y energía.

  En la atmósfera terrestre, las partículas cargadas de la lluvia generan luz de dos maneras diferentes, una produciendo radiación Cherenkov, que es muy colimada puesto que sus rayos son paralelos entre sí, y otra mediante la emisión de luz fluorescente generada por moléculas de nitrógeno al des excitarse una vez interactuado con las partículas cargadas de la lluvia.

  Los rayos cósmicos sufren diversos procesos en la atmósfera terrestre. Los efectos del conjunto de los rayos cósmicos de bajas energías, al interactuar con la atmósfera terrestre, generan un flujo de partículas de fondo en la atmósfera terrestre o “partículas atmosféricas”.

  Se denomina lluvia extensa atmosférica a una cascada de partículas generadas por la interacción de un solo rayo cósmico altamente energético con la alta atmósfera. En un principio, el número de partículas de la cascada aumenta hasta llegar a alcanzar un máximo, y se va atenuando a medida que aumenta la cantidad de partículas con energías inferiores al umbral de producción de partículas. Esquemáticamente, la lluvia consiste en un disco delgado de partículas relativistas, principalmente electrones, positrones y fotones, distribuidos en un radio que puede llegar a varios kilómetros, propagándose a través de la atmósfera con velocidades cercanas a la de la luz.

  Las cascadas de partículas están constituidas principalmente por tres componentes: la electromagnética, la muónica y la hadrónica. La cascada consiste en un núcleo central compuesto por hadrones altamente energéticos que continuamente alimentan la parte electromagnética de la lluvia a través de la generación de fotones proveniente de la decadencia de los piones neutros. Los nucleones y otros hadrones energéticos continúan contribuyendo a la cascad hadrónica. Las decadencias de los piones cargados de baja energía y de los kaones, alimentan la parte muónica de la lluvia.

  En cada interacción hadrónica, aproximadamente un tercio de la energía pasa a la componente electromagnética. Puesto que la mayoría de los hadrones vuelve a interactuar, la mayor parte de la energía de la partícula primaria se traslada a la componente electromagnética de la lluvia. Además, debido a la rápida multiplicación de la cascada electromagnética, los electrones y positrones son el tipo de partículas más numerosas presentes en la lluvia, cuya energía es disipada principalmente por la ionización en la atmósfera.

  Es por ello que la atmósfera actúa como un calorímetro, absorbiendo la mayor parte de la energía del rayo cósmico primario. Una pequeña fracción de la energía resulta en la generación de neutrinos, que es considerada como una porción invisible de energía.

  En la siguiente imagen podemos observar de una manera esquemática el proceso que realiza cada partícula de un rayo cósmico al interactuar con una molécula de aire, generando una cascada de partículas secundarias y diferentes sub cascadas y una determinada radiación.

Fuente: iteda