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Rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son fragmentos de átomos que llueven sobre la Tierra desde fuera del Sistema Solar. Se encienden a la velocidad de la luz y se les ha atribuido la causa de los problemas electrónicos en los satélites y otras máquinas.


Descubierto en 1912, muchas cosas sobre los rayos cósmicos siguen siendo un misterio más de un siglo después. Un buen ejemplo es exactamente de dónde vienen. La mayoría de los científicos sospechan que sus orígenes están relacionados con las supernovas (explosiones estelares), pero el desafío es que durante muchos años los orígenes de los rayos cósmicos parecían uniformes para los observatorios que examinaban todo el cielo.

Un gran salto adelante en la ciencia de los rayos cósmicos se produjo en 2017, cuando el Observatorio Pierre Auger estudió las trayectorias de llegada de 30000 partículas cósmicas. Concluyó que hay una diferencia en la frecuencia con la que llegan estos rayos cósmicos, dependiendo de dónde se mire. Si bien sus orígenes aún son nebulosos, saber dónde buscar es el primer paso para aprender de dónde provienen, dijeron los investigadores. Los resultados fueron publicados en Science.

Los rayos cósmicos pueden incluso usarse para aplicaciones fuera de la astronomía. En noviembre de 2017, un equipo de investigación descubrió un posible vacío en la Gran Pirámide de Giza, que se construyó alrededor de 2560 aC,  utilizando rayos cósmico. Los investigadores encontraron esta cavidad utilizando la tomografía de muones, que examina los rayos cósmicos y sus penetraciones a través de objetos sólidos.

Historia:

Si bien los rayos cósmicos solo se descubrieron en la década de 1900, los científicos sabían que algo misterioso  sucedía ya en la década de 1780. Fue entonces cuando el físico francés Charles-Augustin de Coulomb, mejor conocido por tener una unidad de carga eléctrica que lleva su nombre, observó una esfera cargada eléctricamente de forma repentina y misteriosa que ya no se carga.

En ese momento, se pensaba que el aire era un aislante y no un conductor eléctrico. Sin embargo, con más trabajo, los científicos descubrieron que el aire puede conducir electricidad si sus moléculas están cargadas o ionizadas. Esto ocurriría más comúnmente cuando las moléculas interactúan con partículas cargadas o rayos X.

Pero de dónde provenían estas partículas cargadas era un misterio. Incluso los intentos de bloquear la carga con grandes cantidades de plomo eran en vano. El 7 de agosto de 1912, el físico Victor Hess voló un globo a gran altitud a 5300 metros. Descubrió tres veces más radiación ionizante allí que en el suelo, lo que significaba que la radiación tenía que venir del espacio exterior.

En 2013, el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA publicó resultados de la  observación de dos remanentes de supernova en la Vía Láctea: IC 433 y W44 . 

Entre los productos de estas explosiones estelares se encuentran los fotones de rayos gamma, que (a diferencia de los rayos cósmicos) no se ven afectados por los campos magnéticos. Los rayos gamma estudiados tenían la misma firma energética que las partículas subatómicas llamadas piones neutros. Los piones se producen cuando los protones se atascan en un campo magnético dentro de la onda de choque de la supernova y chocan entre sí.

En otras palabras, las firmas de energía coincidentes mostraron que los protones podían moverse a velocidades lo suficientemente rápidas dentro de las supernovas para crear rayos cósmicos. 

Actualidad:

Hoy sabemos que los rayos cósmicos galácticos son fragmentos de átomos como protones (partículas cargadas positivamente), electrones (partículas cargadas negativamente) y núcleos atómicos. Si bien ahora sabemos que pueden crearse en supernovas, puede haber otras fuentes disponibles para la creación de rayos cósmicos. Tampoco está claro exactamente cómo las supernovas pueden hacer que estos rayos cósmicos sean tan rápidos.

Los rayos cósmicos llueven constantemente sobre la Tierra, y mientras los rayos "primarios" de alta energía colisionan con átomos en la atmósfera superior de la Tierra y rara vez llegan al suelo, las partículas "secundarias" son expulsadas de esta colisión y nos alcanzan en el suelo.

Pero cuando estos rayos cósmicos llegan a la Tierra, es imposible rastrear de dónde provienen. Eso se debe a que su camino ha cambiado a medida que viajaban a través de múltiples campos magnéticos (la Vía Láctea, el Sistema Solar y la Tierra misma).

Los científicos están tratando de rastrear los orígenes de los rayos cósmicos observando de qué están hechos los rayos cósmicos. Pueden resolver esto observando la firma espectroscópica que emite cada núcleo en radiación, y también sopesando los diferentes isótopos (tipos) de elementos que impactan en los detectores de rayos cósmicos.

El resultado, agrega la NASA, muestra elementos muy comunes en el universo. Aproximadamente el 90 por ciento de los núcleos de rayos cósmicos son hidrógeno (protones) y el 9 por ciento son helio (partículas alfa). El hidrógeno y el helio son los elementos más abundantes en el universo y el punto de origen de las estrellas, galaxias y otras estructuras grandes. El 1 por ciento restante son todos elementos, y es de ese 1 por ciento que los científicos pueden buscar mejor los elementos raros para hacer comparaciones entre los diferentes tipos de rayos cósmicos. La colaboración del Observatorio Pierre Auger encontró algunas variaciones en las trayectorias de llegada de los rayos cósmicos en 2017, proporcionando algunas pistas sobre dónde podrían haberse originado los rayos.

Los científicos también pueden fechar los rayos cósmicos  observando núcleos radiactivos que disminuyen con el tiempo. La medición de la vida media de cada núcleo da una estimación de cuánto tiempo ha estado el rayo cósmico en el espacio. 

En 2016, una nave espacial de la NASA descubrió que la mayoría de los rayos cósmicos probablemente provienen de (relativamente) grupos cercanos de estrellas masivas. La nave espacial Advanced Composition Explorer (ACE) de la agencia  detectó rayos cósmicos con una forma radiactiva de hierro  conocida como hierro-60. Dado que esta forma de rayo cósmico se degrada con el tiempo, los científicos estiman que debe haberse originado a no más de 3000 años luz de la Tierra, la distancia equivalente al ancho del brazo espiral local en la Vía Láctea. 

Un experimento llamado ISS-CREAM (Cosmic Ray Energetics and Mass) se  lanzó a la Estación Espacial Internacional en 2017. Se espera que opere durante tres años, respondiendo preguntas como si las supernovas generan la mayoría de las partículas de rayos cósmicos, cuándo se originaron las partículas de rayos cósmicos, y si todos los espectros de energía vistos para los rayos cósmicos pueden explicarse por un solo mecanismo. La ISS también alberga el  telescopio de electrones calorimétrico (CALET), que busca los tipos de rayos cósmicos de mayor energía. CALET se lanzó allí en 2015.

Los rayos cósmicos también pueden detectarse mediante globos, como a través del experimento del Super Trans-Iron Galactic Element Recorder (SuperTIGER) que incluye la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y varias universidades. Ha volado varias veces, incluido un vuelo récord de 55 días sobre la Antártida entre diciembre de 2012 y enero de 2013. "Con los datos de este vuelo estamos estudiando el origen de los rayos cósmicos. Específicamente, probando el modelo emergente de los orígenes de los rayos cósmicos en Asociaciones OB, así como modelos para determinar qué partículas se acelerarán ", dijo el  sitio web SuperTIGER .

Los científicos no oficiales también pueden  participar en la búsqueda de rayos cósmicos  registrándose en el sitio web crayfis.io. Allí, se unirán al experimento CRAYFIS llevado a cabo por el Laboratorio de Métodos para el Análisis de Big Data (LAMBDA) en la Escuela Superior de Economía de la Universidad Nacional de Investigación de Rusia. Los investigadores están examinando los rayos cósmicos de energía ultraalta usando teléfonos móviles.

Problemas de radiación espacial:

El campo magnético y la atmósfera de la Tierra protegen al planeta del 99,9 por ciento de la radiación del espacio. Sin embargo, para las personas que están fuera de la protección del campo magnético de la Tierra, la radiación espacial se convierte en un grave peligro. Un instrumento a bordo del rover Curiosity Mars durante su crucero de 253 días a Marte reveló que  la dosis de radiación recibida por un astronauta  incluso en el viaje de ida y vuelta más corto de la Tierra a Marte sería de aproximadamente 0,66 sievert. Esta cantidad es como recibir una tomografía computarizada de cuerpo entero cada cinco o seis días.

Una dosis de 1 sievert está asociada con un aumento del 5,5 por ciento en el riesgo de cánceres fatales. La dosis de radiación diaria normal recibida por la persona promedio que vive en la Tierra es de 10 microsieverts (0.00001 sievert).

La Luna no tiene atmósfera y tiene un campo magnético muy débil. Los astronautas que viven allí tendrían que proporcionar su propia protección, por ejemplo enterrando su hábitat bajo tierra.

Marte  no tiene campo magnético global. Las partículas del Sol han eliminado la mayor parte de la atmósfera de Marte, lo que resulta en  una protección muy pobre contra la radiación  en la superficie. La presión de aire más alta en Marte es igual a una altitud de 22 35 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. A bajas altitudes, la atmósfera de Marte proporciona una protección ligeramente mejor contra la radiación espacial.

En 2017, la NASA realizó algunas  mejoras en su Laboratorio de Radiación Espacial  (ubicado en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York) para hacer más estudios sobre cómo los rayos cósmicos pueden afectar a los astronautas en viajes largos, incluso a Marte. Estas actualizaciones permiten a los investigadores alterar los tipos de iones y la intensidad de la energía, más fácilmente debido al control del software.

Este post pertenece a la serie "Partículas elementales", puedes ver todos los posts aquí


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