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Carlos del Porto Blanco

En este mismo instante, miles de partículas subatómicas provenientes de los confines de la galaxia y más allá están atravesando su cuerpo silenciosamente, sin dejar huellas. A esa radiación dedicaré la columna de hoy, empecemos entonces a hablar de los Rayos Cósmicos.

El proceso de descubrimiento científico es, en efecto, una huida continua del asombro. Albert Einstein.

A principios del siglo XX, algunos físicos como el austriaco Víctor Hess investigaban por qué los electroscopios (instrumentos que detectan carga eléctrica) se descargaban espontáneamente incluso en condiciones de aislamiento. La hipótesis apuntaba que la responsable era una radiación terrestre. Para probarla, Hess realizó una serie de audaces vuelos en globos aerostáticos en 1911-1912, que cambiarían para siempre la comprensión del universo. Al elevarse a más de 5000 metros de altitud, Hess descubrió que la tasa de radiación ionizante aumentaba con la altura, en lugar de disminuir. Esa observación contraintuitiva demostró que la radiación no procedía principalmente de la Tierra, sino del espacio exterior.

A pesar del nombre que se les dio no son rayos de luz como los rayos X o los rayos gamma, son principalmente protones, alrededor del 90% acompañados de núcleos de helio y una pequeña fracción de electrones y núcleos más pesados. Por ese descubrimiento, Hess recibió el Premio Nobel de Física en 1936, y nació el campo de estudio de los rayos cósmicos.

¿Qué son los Rayos Cósmicos?

El término «rayo cósmico» es un legado histórico algo engañoso. No se trata de rayos de luz como algunas personas pensarían, sino de partículas subatómicas cargadas eléctricamente que viajan por el espacio a velocidades cercanas a la de la luz. Aproximadamente el 90% son núcleos de hidrógeno (protones), el 9% son núcleos de helio (partículas alfa), y el 1% restante son núcleos de elementos más pesados, desde litio hasta uranio, junto con una minúscula fracción de electrones y positrones de alta energía.

Esas partículas son los aceleradores naturales más potentes del universo. Las de mayor energía poseen energías millones de veces superiores a las alcanzables en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), localizado en Ginebra, Suiza.

El Origen: Fábricas Cósmicas de Partículas

Tras el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896, se aceptaba que la electricidad atmosférica —ionización del aire— era provocada exclusivamente por la radiación generada a su vez por elementos radiactivos en el suelo y por los gases radiactivos o isótopos de radón que aquellos producen. La posterior medición, durante la década de 1900 a 1910, de la tasa de ionización (ritmo de ionización del aire) respecto a la altitud demostró un descenso que podía explicarse por la absorción de la radiación ionizante por el aire interpuesto.

En 1909, Theodor Wulf desarrolló el primer electrómetro. Ese instrumento se diseñó para medir la tasa de producción de iones dentro de un contenedor sellado herméticamente. Wulf lo usó para demostrar que los niveles de radiación ionizante en la cúspide de la Torre Eiffel eran mayores que en su base. Sin embargo, su artículo, publicado en Physikalische Zeitschrift, no encontró mucha aceptación.

Ernest Rutherford y sus colaboradores 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 que, efectivamente, eran de origen muy lejano, incluso exterior al sistema solar.

En 1911, Domenico Pacini observó variaciones simultáneas de la tasa de ionización sobre un lago, sobre el mar y a una profundidad de tres metros bajo la superficie. Del descenso observado bajo el agua, Pacini concluyó que una parte de la ionización se debe a fuentes distintas de la radiactividad terrestre.

Más tarde, en 1912, Víctor Hess elevó tres electrómetros Wulf de precisión mejorada a una altitud de 5300 metros usando un globo aerostático y encontró que la tasa de ionización se multiplicaba aproximadamente por cuatro en comparación con la que podía medirse a nivel del suelo. Hess también descartó al Sol como la fuente de radiación responsable mediante un nuevo ascenso en globo durante un eclipse de Sol casi total. Cuando la Luna estaba bloqueando la mayor parte de la radiación solar visible, Hess todavía pudo medir una tasa de ionización en aumento con la altura, y concluyó: «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».

Una curiosidad interesante es que el vuelo del globo de Hess tuvo lugar el 7 de agosto de 1912. Exactamente 100 años después, el 7 de agosto de 2012, el vehículo Mars Science Laboratory midió los niveles de radiación ionizante por primera vez en otro planeta por medio de su RAD (Detector de evaluación de radiación, por las siglas en inglés de Radiation Assessment Detector).

En 1913-1914, Werner Kolhörster confirmó las primeras observaciones de Hess al medir el incremento de la tasa de ionización a nueve kilómetros de altitud.

En las décadas siguientes, los rayos cósmicos se convirtieron en el primer acelerador de partículas natural. Su estudio condujo al descubrimiento de partículas fundamentales como el positrón en 1932 por Carl David Anderson, la primera evidencia de la existencia de la antimateria, gracias al estudio de rayos cósmicos. Posteriormente, también se identificaron mesones, antes de que existieran los aceleradores artificiales. Fueron literalmente, los heraldos de la física de partículas moderna.

Los rayos cósmicos surgen en los entornos más violentos del cosmos. Su energía determina su probable fuente:

  1. De Baja Energía: Provienen principalmente de la galaxia en la que se encuentra el Sistema Solar, la Vía Láctea. Su principal fuente son los remanentes de supernovas—los restos en expansión de estrellas masivas que han explotado. La onda de choque de la explosión actúa como un acelerador de partículas natural durante miles de años. La supernova de la Nebulosa del Cangrejo, observada en 1054, es uno de los ejemplos más estudiados. El mecanismo, propuesto por Enrico Fermi en 1949, sugiere que las partículas «rebotan» en los campos magnéticos turbulentos de esas ondas de choque, ganando energía en cada colisión.
  2. De Alta Energía: Su origen fue un misterio durante décadas, pero instituciones como el Observatorio Pierre Auger en Argentina encontraron evidencias de que provienen de fuentes extragalácticas. Candidatos probables son los núcleos galácticos activos (AGN), alimentados por agujeros negros supermasivos, y los estallidos de rayos gamma (GRB).
  3. De Energía Ultra-Alta: Son extremadamente raros (alrededor de uno por kilómetro cuadrado por siglo). Su origen es uno de los mayores enigmas de la astrofísica moderna, ya que su inmensa energía les permitiría viajar por el universo sin ser desviados por los campos magnéticos galácticos. Sin embargo, aún no se ha identificado su fuente con precisión.

Al estar cargados, las trayectorias de los rayos cósmicos son desviadas por los campos magnéticos que impregnan la galaxia y el espacio interplanetario. Ese «baile magnético» enreda sus trayectorias hasta el punto de que, cuando llegan a la Tierra, es imposible trazar una línea recta hacia su origen. Son mensajeros, pero sin una dirección de retorno clara. Por ello, los científicos estudian su composición química y espectro energético para deducir de dónde vienen y cómo fueron acelerados.

Los rayos cósmicos no son solo un fenómeno astronómico; tienen aplicaciones prácticas y consecuencias directas:

  • Cuna de la Física de Partículas: Antes de la existencia de los aceleradores artificiales, los rayos cósmicos fueron el único laboratorio natural para estudiar partículas exóticas. El positrón (1932) y el muón (1936) fueron descubiertos en ellos.
  • Tomografía Muónica: Se utiliza la capacidad de penetración de los muones (partículas secundarias de los rayos cósmicos) para «radiografiar» estructuras densas como pirámides (se usó en la Pirámide de Keops para descubrir cavidades ocultas) o volcanes para visualizar su cámara magmática.
  • Arqueología y Geología: Los rayos cósmicos producen isótopos radiactivos como el Carbono-14 (en la atmósfera) y el Berilio-10 (en las rocas). Su medición permite la datación por radiocarbono de restos orgánicos y el estudio de la tasa de erosión de suelos y la actividad solar pasada.
  • Clima Espacial y Tecnología: El flujo de rayos cósmicos puede aumentar durante las tormentas solares, cuando el viento solar debilita el escudo magnético de la Tierra. Esas partículas pueden:
    • Dañar satélites y componentes electrónicos en órbita.
    • Alterar comunicaciones de radio y sistemas de posicionamiento global (GPS, Baidu, Glonass).
    • Poner en riesgo la salud de cosmonautas y tripulaciones de vuelos de larga distancia en rutas polares.

Principales Reservas y Efectos Secundarios

Aunque son una fuente de conocimiento, también presentan desafíos:

  • Ruido en Datos Científicos: Pueden causar eventos de falsos positivos en detectores sensibles de materia oscura o de neutrinos, ya que producen señales similares al interactuar.
  • Inducción de Errores en Electrónica (Single Event Upsets – SEUs): Un único rayo cósmico puede cambiar un bit en la memoria de una computadora, causando errores críticos en sistemas informáticos de aviación, automoción y finanzas.
  • Relación con el Cambio Climático (Hipótesis en Estudio): Algunas investigaciones sugieren que, al ionizar la atmósfera, los rayos cósmicos podrían influir en la formación de nubes bajas. Esa hipótesis, propuesta por investigadores como Henrik Svensmark, es objeto de intenso debate científico y aún no tiene un consenso generalizado.

El estudio de los rayos cósmicos ha evolucionado hacia un campo más amplio: la astronomía multimensajero. Ya que no solo se detectan esas partículas, sino que se correlacionan con otras «señales» cósmicas:

  • Neutrinos: Como la instalación IceCube en el Polo Sur, que detectó un neutrino en 2017 vinculado a un blazar (un tipo Núcleo Activo de Galaxia (AGN)) a 4000 millones de años luz, confirmando que esos objetos son aceleradores de partículas cósmicas.
  • Ondas Gravitacionales: Detectadas por LIGO/Virgo, informa de eventos como la fusión de estrellas de neutrones, que también podrían ser fuentes de rayos cósmicos.

Esa convergencia de mensajeros (partículas, luz, neutrinos, ondas gravitacionales) permite tener una visión estereoscópica del universo, desvelando sus procesos más energéticos y extremos. A pesar de un siglo de investigación, persisten misterios fundamentales:

  1. El Problema del «Corte de Rodilla»: El espectro de energía de los rayos cósmicos presenta cambios bruscos («rodillas» y «tobillos») alrededor de 1015 electronvoltio y 1018 electronvoltio. Se desconoce con certeza si indican un cambio en las fuentes, en los mecanismos de aceleración o en la propagación.
  2. Origen de los Rayo cósmico de ultra-altas energías (RCUHE): Identificar las fuentes específicas de las partículas más energéticas es un enorme desafío, ya que su trayectoria es desviada por los campos magnéticos galácticos y extragalácticos, enmascarando su punto de origen.
  3. Composición a Alta Energía: Determinar si los RCUHE son principalmente protones o núcleos más pesados es crucial para discriminar entre teorías de aceleración y modelos de propagación.
  4. La Anomalía del AMS-02: El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS-02) en la Estación Espacial Internacional ha medido un exceso de positrones (antimateria) en los rayos cósmicos de ciertas energías. Podría deberse a fuentes astrofísicas cercanas como púlsares, o a procesos más exóticos como la aniquilación de partículas de materia oscura. La distinción sigue siendo una frontera activa de investigación.

También se considera que, como resultado de las ondas de choque procedentes de las supernovas que se propagan hasta el espacio interestelar, en este se genera aceleración adicional. No existen pruebas directas de que las supernovas contribuyen de manera significativa a los rayos cósmicos. Sin embargo, se sugiere que las estrellas binarias de rayos X pueden ser fuentes de rayos cósmicos. En esos sistemas, una estrella normal cede masa a su complementaria, a una estrella de neutrones o bien a un agujero negro.

Los estudios radioastronómicos de otras galaxias muestran que esas también contienen electrones de alta energía. Los centros de algunas galaxias emiten ondas de radio de mucha mayor intensidad que la Vía Láctea. Eso indica que contienen fuentes de partículas de alta energía.

Los rayos cósmicos son mucho más que una curiosidad científica. Son testigos directos de la violencia creativa del cosmos, partículas que han atravesado galaxias durante millones de años para llegar a nosotros. Desde su descubrimiento fortuito en un globo hasta su papel central en la astronomía multimensajero del siglo XXI, siguen desafiando nuestra tecnología e imaginación. Recuerdan que la Tierra es una nave espacial bañada constantemente por un flujo subatómico proveniente de los confines del universo, un flujo que es a la vez una herramienta de descubrimiento, un riesgo tecnológico a gestionar y un recordatorio de nuestra conexión íntima con el cosmos dinámico y en evolución.

En 2007, un grupo de científicos argentinos del Observatorio Pierre Auger realizó un espectacular descubrimiento que inauguró una nueva rama de la astronomía. Ese grupo encontró evidencias de que la mayor parte de las partículas de rayos cósmicos provienen de una constelación cercana: Centaurus. Esa 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.

Los rayos cósmicos emprenden viajes inmensos, atravesando la galaxia como mensajeros energéticos, pero, como ya se dijo, a diferencia de la luz, no viajan en línea recta. Al ser partículas cargadas, sobre todo protones y núcleos atómicos, su trayectoria se ve alterada por los campos magnéticos que encuentran en su camino. Cada vez que se desvían, su rumbo original se distorsiona, como si fuesen hojas arrastradas por corrientes cambiantes.

Esto es lo que hace tan difícil averiguar exactamente de qué objeto o evento astronómico proceden. Cuando finalmente alcanzan nuestro vecindario cósmico, suelen haber vagado durante miles o millones de años, cambiando de dirección incontables veces. Al llegar a las cercanías de nuestro planeta, los rayos cósmicos se encuentran con un nuevo obstáculo, el campo magnético terrestre, que desvía gran parte de esta radiación y actúa como un escudo natural.

Aun así, algunas logran penetrar en la atmósfera, donde comienza el fenómeno, la cascada de partículas. La colisión inicial produce una lluvia secundaria de partículas nuevas, muones, piones, electrones, fotones, una auténtica tormenta subatómica que se ramifica hacia capas más bajas de la atmósfera. Lo que finalmente llega al suelo ya no es la partícula original, sino los restos de esa cascada.

Los científicos detectan esas huellas mediante telescopios Cherenkov, contadores de muones, detectores en glaciales o redes de antenas distribuidas por grandes superficies. Es como investigar un crimen cósmico observando sólo las pistas que dejó el impacto. Aunque la mayoría de los rayos cósmicos no representan peligro para la vida en superficie, gracias a la atmósfera y el campo magnético, sí que pueden afectar a satélites, astronautas, tecnologías de alta precisión e incluso vuelos comerciales a gran altitud.

Para el ser humano del futuro, especialmente si aspiramos a misiones más largas en el espacio profundo, los rayos cósmicos serán un enemigo silencioso a tener en cuenta. Aunque los rayos cósmicos son parte del entorno espacial y de la Tierra, conviviendo con ellos desde su origen, su presencia no está exenta de riesgos. La superficie de la Tierra está relativamente protegida gracias a la atmósfera y a la magnetosfera, que actúan como escudos naturales desviando o frenando la mayor parte de esas partículas.

Sin embargo, cuando se habla de tecnología, astronáutica o exploración espacial, la cosa cambia. En el ámbito tecnológico, una sola partícula puede alterar el funcionamiento de dispositivos electrónicos sensibles. Los rayos cósmicos pueden causar lo que se conoce como errores de bit, pequeñas alteraciones en la información almacenada en chips y memorias, capaces de producir fallos inesperados en sistemas informáticos, satélites, equipos científicos o incluso aviones en vuelo.

Por eso los sistemas espaciales y aeronáuticos incorporan capas adicionales de protección y redundancia. No es ciencia ficción, es prevención frente a una lluvia constante de proyectiles invisibles. Para la aviación, el riesgo es moderado pero real.

A gran altitud, sobre todo en rutas polares, donde el campo magnético tiene menos protección, los niveles de exposición aumentan. Por ello, tripulaciones y pasajeros frecuentes están más expuestos a radiación cósmica que alguien en la Tierra, aunque la dosis sigue siendo muy baja. Donde el problema se vuelve crítico es fuera de la Tierra.

Los cosmonautas, sobre todo los que están más allá de la órbita baja, como futuras misiones a la Luna o Marte, quedan mucho más expuestos a los rayos cósmicos galácticos. La radiación acumulada puede incrementar riesgos de cáncer, dañar tejido, afectar el sistema nervioso e incluso comprometer misiones de larga duración. Una de las grandes preguntas de la exploración espacial del futuro es precisamente cómo proteger a los humanos en viajes interplanetarios.

Blindajes avanzados, hábitats con agua o regolito o refugios magnéticos artificiales son algunas de las soluciones en este estudio. Pese a todo, es importante ponerlo en perspectiva. Sin atmósfera ni campo magnético, la Tierra sería un lugar más peligroso.

Los rayos cósmicos dicen que vivimos en un universo dinámico y a veces hostil. Son una señal de que cuando crucemos definitivamente el océano del espacio, se tendrá que hacer con mucho cuidado. El enigma de los rayos cósmicos está lejos de resolverse, pero el futuro de la investigación es más prometedor que nunca.

Tras más de un siglo observándose desde globos, montañas y satélites, ahora se entra en una nueva etapa en la que las preguntas son más ambiciosas y los instrumentos más sofisticados. El objetivo ya no es sólo detectar esas partículas, sino rastrear su origen. Una de las grandes esperanzas está puesta en los observatorios de nueva generación como el Cherenkov Telescope Array.

Ese instrumento permitirá estudiar con más detalle los fenómenos más violentos del universo. Supernovas, pulsares, núcleos activos de galaxias… Esos telescopios pueden ayudar a identificar por primera vez con claridad los aceleradores cósmicos responsables de cada tipo de rayo cósmico. Al mismo tiempo, hay experimentos en la Estación Espacial Internacional con futuros detectores orbitales que seguirán capturando esas partículas antes de que la atmósfera las altere.

Otra pieza clave del futuro será la combinación de distintos mensajeros cósmicos. Se vive la era de la astrofísica multimensajero, donde un mismo fenómeno puede observarse a través de las ondas gravitacionales, radiación electromagnética, neutrinos y también rayos cósmicos. La idea es simple, si se logra observar un mismo evento cósmico desde diferentes señales, se podrá reconstruir con mucha mayor precisión.

Eso podría resolver, por fin, el mayor misterio, localizar y confirmar la fuente exacta de los rayos cósmicos más energéticos del Universo. Los rayos cósmicos recuerdan que vivimos en medio de un universo dinámico, violento y fascinante. Cada partícula que atraviesa la atmósfera es un fragmento de una historia ocurrida quizás a miles de años luz.

Una pista sobre explosiones estelares, agujeros negros o fenómenos que todavía no comprendemos. Son mensajeros diminutos, pero cargados de información sobre la naturaleza más extrema del cosmos. Aunque aún no conocemos todas las respuestas, seguimos avanzando.

Nuevos telescopios, nuevas misiones y nuevas ideas nos acercan a desvelar su misterio. Quizás algún día logremos reconstruir por completo el viaje de estas partículas y comprender qué fuerzas las lanzan hacia nosotros. Hasta entonces, tenemos que seguir mirando al cosmos y formulando preguntas.

Amigo lector mientras usted leía este texto, millones de rayos cósmico atravesaron su cuerpo son que usted se enterara y dejarán huellas, pero ahí estaban. Como dice el viejo adagio árabe, “Una hormiga negra, en una noche negra sube por una columna negra; nadie la ve, pero Alá la ve”.

Referencias

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