Los inicios

El descubrimiento de la radioactividad en 1896 llevó a los físicos a creer que una radiación ionizante observada en el aire era producida por elementos radiactivos en el suelo. De ser esto cierto, al alejarnos del suelo deberíamos notar una baja en la cantidad de radiación, pero mediciones hechas en 1909 por Theodor Wulf en la Torre Eiffel usando un electrómetro mostraron lo contrario: a medida que el aparato era llevado a más altura la cantidad de radiación aumentaba.
En 1912, Victor Hess repitió el experimento aunque esta vez subió hasta una altura mucho mayor, casi 5.300 metros, en un globo aerostático. Las mediciones de Hess, junto a otras tomadas en esa época, confirmaban que a mayor altura la radiación continuaba aumentando. Las fuentes de esta radiación energética, Hess concluyó, debían estar más allá de la atmósfera, en el espacio exterior. El descubrimiento de estos rayos cósmicos le valió a Hess el Premio Nobel de Física de 1936.

Principales características

En más de 100 años de investigación hemos descubierto cosas sorprendentes, entre ellas que los rayos cósmicos son las partículas subatómicas más energéticas conocidas en el universo. Descubrir su origen es uno de los grandes interrogantes actuales en astrofísica. Repasemos algunas de las características principales de los rayos cósmicos:

• Composición: Estas partículas subatómicas son en su gran mayoría (99%) protones y núcleos de átomos ligeros como el helio hasta núcleos más pesados como el hierro, así también como un 1% de electrones. Es decir, en su mayoría son partículas con una carga eléctrica.
• Energías: Los rayos cósmicos de "baja energía" rondan los GeV (o 10⁹ eV, mil millones de veces más energéticos que la luz visible). En cambio, los más energéticos llegan a ¡10²⁰ eV! Esto equivale a la energía de una pelota de fútbol viajando a 30 km/h, aunque recordemos que esta energía está concentrada en una ínfima partícula subatómica.
• Tasa de detección: El número de rayos cósmicos que llegan a la atmósfera de la Tierra cada segundo varía con respecto a su energía. A energías de 10 GeV la tasa promedio es de un rayo cósmico llegando a cada metro cuadrado de superficie de la atmósfera cada segundo. A energías de ~ 1 PeV (10¹⁵ eV), la tasa baja a solo un rayo cósmico por metro cuadrado por año.
  Detectar rayos cósmicos a las más altas energías (10²⁰ eV) presenta grandes desafios, ya que la tasa es bajísima. A estas energías solo registramos un rayo cósmico por kilómetro cuadrado por siglo, es decir que aunque pudieramos construir un detector de un kilómetro cuadrado, tendríamos que esperar en promedio 100 años para detectar un rayo cósmico.

El origen de los rayos cósmicos

Como mencionamos, el origen de estas partículas con energías extremas es todavía un misterio luego de más de un siglo de investigaciónes. ¿Cómo es eso posible? ¿Por qué no podemos detectar el lugar donde son producidas estas partículas?
El problema reside en la carga eléctrica de los rayos cósmicos. Cuando una partícula con carga eléctrica, como un protón o un núcleo atómico, se mueve a través de un campo magnético su trayectoria se desvía. Nuestra galaxia, la Via Láctea, posée un campo magnético que afecta las trayectorias de los rayos cósmicos antes de su llegada a la Tierra lo que hace que no apunten a su fuente, un requisito básico para hacer astronomía.
Una analogía para entender este fenómeno es mirar el cielo durante un día muy nublado. Podemos percibir que detrás de las nubes debe haber una fuente de luz (el Sol), pero la luz que nos llega ha rebotado tantas veces dentro de las nubes que el brillo es mas o menos parejo en todas direcciones y nos cuesta saber exactamente en que parte del cielo está el Sol.
Buscar las fuentes de rayos cósmicos dentro del campo magnético galáctico es similarmente dificil. Las múltiples desviaciones que experimentan estas particulas en su trayecto hacen que una vez que llegan a la Tierra el número de rayos cósmicos que detectamos sea casi el mismo en todas direcciones, c La única forma posible de encontrar de forma directa el origen de estas partículas es concentrarse en los de mayor energía, ya que son menos desviados por los campos magnéticos de nuestra galaxia. Aún así es dificil, ya que todavía hay desviaciones y la cantidad de detecciones a muy altas energías es muy baja, requiriendo detectores con miles de kilometros cuadrados de extensión.

El viaje de los rayos cósmicos a través de la Vía Láctea

La animación interactiva debajo permite seguir el recorrido de rayos cósmicos de tres energías distintas (10¹⁸ eV, 10¹⁹, y 10²⁰ eV) antes de llegar a la Tierra (indicada como un punto magenta). Si bien la galaxia está representada en forma esquemática, el modelo respeta la posición relativa de la Tierra con respecto al centro galáctico y la trayectória de los rayos cósmicos es realista (simulada utilizando el paquete CRPropa). El modelo puede ser rotado, ampliado o desplazado utilizando su mouse o en la pantalla de su dispositivo móvil.
Para agregar un rayo cósmico solo pulse uno de los botones debajo y observe la trayectoria. Los rayos cósmicos de 10¹⁸ eV son representados con líneas amarillas, los de 10¹⁹ eV son rojas, y 10²⁰ eV magenta. ¿A qué energías la dirección del rayo cósmico es menos afectada por el campo magnético?
Agregue un rayo cósmico de 10²⁰ eV. ¿Es la trayectoria perfectamente recta? Gire y desplace el modelo para observar la trayectoria de frente.

10¹⁸ eV 10¹⁹ eV 10²⁰ eV Recomenzar

Resultados recientes en el estudio de los

Un detector gigantesco de rayos cósmicos

Debido al bajísimo número de rayos cósmicos que llegan a nuestro planeta a las energías más altas (un rayo cósmico por kilómetro cuadrado por siglo) es necesario construir gigantescos detectores, de miles de kilómetros cuadrados, para poder estudiarlos. El mas grande actualmente en operación es el Observatorio Pierre Auger, en la provincia de Mendoza, Argentina. Auger consiste de un arreglo de mas de 1600 detectores cubriendo una superficie de 3.000 km² y cuatro edificios con telescopios que lo rodean. Estos detectores permiten medir la energia, composición y dirección de arribo de rayos cósmicos de ultra alta energía.
La enorme extensión del detector es visible en imágenes satelitales, como en el mapa debajo. Cada punto violeta es un tanque del arreglo, diseñado para detectar las partículas provenientes de la interacción del rayo cósmico con la atmósfera, mientras que los marcadores indican los cuatro edificios que contienen telescopios, los cuales son un método de detección complementario al de los tanques.
Amplie la imagen para buscar los tanques cerca de cada punto o los edificios de telescopios. Para saber más sobre el método de detección puede visitar la página web del observatorio.