19 abril, 2012

El origen de los rayos cósmicos

Atención: ¡Esto no es una traducción de un TPOD, es material propio!
Ilustración explicativa de la llegada de rayos cósmicos y su interacción con la atmósfera
Créditos: NASA
19 de Abril de 2012


Nuevas observaciones de rayos cósmicos dejan a los científicos con pocas opciones.


Los rayos cósmicos son partículas que llegan a la Tierra con una velocidad muy elevada. La energía de cinética de estas partículas es tan elevada que  llega a los 10²⁰eV, es decir 1.000.000.000.000.000.000.000 eV. Un eV (electronvoltio) es, por definición, la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Es decir, una pila típica de 1.5V podría acelerar un electrón a 1.5eV.

Cuando los rayos cósmicos llegan a la atmósfera terrestre, provocan lo que se denomina una cascada de rayos cósmicos, ilustrada en la imagen de arriba. Esto ocurre porque en su trayectoria chocan con moléculas de la atmósfera, principalmente oxígeno y nitrógeno moleculares. Al chocar, y debido a su alta energía, la colisión se comporta de manera similar a como lo hacen las partículas que se lanzan en los aceleradores de partículas. Con una pequeña diferencia, a la energía de los lanzados en los aceleradores de partículas les faltan unos siete u ocho ceros a la derecha. Estas suelen ser de 10¹² o 10¹³eV.

La inercia de estas partículas es tal, que el ángulo en el que se abre el haz de la cascada de rayos cósmicos es de apenas un grado, con lo que, si se tienen los detectores adecuados, no es difícil detectar el ángulo de entrada de los rayos primarios que provocan la cascada de rayos cósmicos.


Actualmente, los científicos sólo consideran dos posibles fuentes que sean capaces de provocar tales energías en el universo. Según Francis Halzen, por un lado estarían los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias, que podrían conducir gravitacionalmente las partículas en dirección a la Tierra. Y por otro las estrellas que colapsen en agujeros negros, que según él, y la comunidad científica en general, se observan como estallidos de rayos gamma.


Los estallidos de rayos gamma son observaciones de rayos gamma asociadas a eventos enormemente energéticos y que duran desde unos milisegundos a varios minutos. Aunque la existencia de estas observaciones es innegable, y a algunos se les ha podido dar correspondencia con observaciones de supernovas, su asociación a las fuentes primarias de los rayos cósmicos, a pesar de las especulaciones de los astrofísicos, sigue siendo incierta. 

Al ser estos estallidos fácilmente localizables, y al tener las cascadas que provocan un ángulo de dispersión pequeño, se puede discernir cómo de energéticos son los rayos cósmicos provenientes de estos estallidos. Esto es lo que han intentado los investigadores con los nuevos detectores de neutrinos.



El resultado: llegan muchos menos neutrinos de los esperados, con lo que puede que no sean la fuente que se pensaba. Eso lleva a los científicos a pensar que las altas energías de los rayos cósmicos (en electronvoltios, un 10 seguido de 20 ceros) provengan de los centros activos de las galaxias, y en eso se centran ahora, de momento sin datos concluyentes.


Sin embargo, hay otra fuente posible que apenas se estudia y que sin duda podría encontrarse en los centros de las galaxias, y quizás también en muchos otros lugares. Cómo podrán adivinar, no es la gravedad, sino el electromagnetismo.


Para encontrarla, solo bastan dos pasos. El primero, acudir a la definición de electronvoltio. Como se comentó en el primer párrafo, un electronvoltio es la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Si los rayos cósmicos tienen una energía de 10²⁰eV, sólo tenemos que encontrar un lugar del espacio que alcance esa enorme diferencia de potencial.

El segundo paso, es acudir a la física planteada por Hannes Alfvén, Irving Langmuir y otros, y que actualmente se desarrolla en los laboratorios de física de plasma. En las dobles capas de plasma y los plasmoides y su z-pinch, cuya capacidad para acelerar electrones es mensurable en laboratorio, podría estar la clave de las fuentes de rayos cósmicos. Sólo haría falta que las condiciones que se dan en laboratorio se dieran a escala astronómica. 



Surgen por tanto dos preguntas más ¿Bajo qué condiciones puede una doble de capa de plasma, o un plasmoide, conseguir diferencias de potencial del orden de 10²⁰eV? y ¿Se dan estas condiciones en la naturaleza? A pesar de la poca atención que recibe esta tercera vía, Anthony Peratt ya estimó que una doble capa del medio interestelar puede alcanzar los 10¹⁷eV. Con lo que estas dos preguntas no pueden desestimarse a la ligera. ¿Quién tomará el testigo?


Roberto Conde.