martes, 28 de abril de 2015

¿Qué son los rayos cósmicos? Conceptos básicos

Los rayos cósmicos son partículas altamente energéticas que son aceleradas a velocidades cercanas a la de la luz y que llegan a nuestro planeta tras propagarse por el espacio.

Los rayos cósmicos proceden de fenómenos astrofísicos violentos tales como fulguraciones solares o explosiones de supernovas. Pueden ser acelerados a velocidades relativistas bien por la fuente emisora o por el entorno en el que se mueven. 

Los científicos han observado un amplio espectro de rayos cósmicos. Podemos dividirlos en diferentes grupos:

-Electrones y positrones
-Núcleos de hidrógeno
-Núcleos de helio
-Litio, Berilio, Boro
-Carbono, Nitrógeno, Oxígeno, Flúor
-Pesados: del Neón al Potasio
-Muy pesados: del Calcio al Zinc
-Ultrapesados: Z>30
-Antimateria
-Neutrinos


En su camino por el espacio, los rayos cósmicos pueden ver alterada su energía y su composición, por ejemplo, cuando sufren colisiones y crean nuevas partículas. Las desviaciones que sufren en su rumbo mediante deflexiones magnéticas o la modulación solar hace imposible conocer el origen de las partículas, por lo que su estudio no se basa, a diferencia de otras ramas de la astrofísica, en observar un objeto concreto del cielo.

Al llegar a la Tierra los rayos cósmicos menos energéticos son absorbidos por las capas altas de la atmósfera mientras que los más energéticos penetran en nuestra atmósfera interaccionando con sus átomos, produciendo lo que se denominan "cascadas". En este fenómeno se excitan los átomos y se generan nuevas partículas. Éstas, a su vez, colisionan contra otras y provocan una serie de reacciones nucleares, que originan nuevas partículas que repiten el proceso en cascada. Así puede formarse una cascada de más de 1011 nuevas partículas. Los corpúsculos integrantes de las cascadas se pueden medir con distintos tipos de detectores de partículas, generalmente basados en la ionización de la materia o en el efecto Cherenkov. La radiación de Cherenkov es una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas en un medio a velocidades superiores a las de la luz en dicho medio.

La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo en el vacío. El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede superarse pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. Éste es un fenómeno similar al de la generación de una onda de choque cuando se supera la velocidad del sonido.

La radiación Cherenkov sólo se produce si la partícula que atraviesa el medio está cargada eléctricamente, como por ejemplo, un protón. Para que se produzca radiación Cherenkov el medio debe ser un dieléctrico. Es decir; debe estar formado por átomos o moléculas capaces de verse afectados por un campo eléctrico. Por tanto, un protón viajando a través de un medio hecho de neutrones, por ejemplo, no emitiría radiación Cherenkov.

Los rayos cósmicos, compuestos principalmente por partículas cargadas, al incidir (interaccionar) sobre los átomos y moléculas de la atmósfera terrestre (el medio), producen otras partículas, las cuales producen más partículas, y éstas producen más, creándose una verdadera cascada de partículas (muchas de ellas cargadas eléctricamente). Cada una de estas partículas polariza asimétricamente las moléculas de nitrógeno y oxígeno (componentes principales de la atmósfera terrestre) con las que se encuentra a su paso, las cuales, al despolarizarse espontáneamente, emiten radiación Cherenkov (detectada con telescopios Cherenkov). Es decir; son las moléculas de la atmósfera (el dieléctrico) las que emiten la radiación, no la partícula incidente.

Cuando un rayo cósmico primario entra en la atmósfera se produce una cascada de partículas elementales muchas de las cuales pueden alcanzar la superficie terrestre.


Como hemos mencionado anteriormente, los rayos cósmicos sufren una variación composicional y energética desde que son eyectados desde su fuente, por lo que podemos clasificar dicha composición en tres tipos:

-Primordial: la composición original con la que los rayos parten desde su fuente.

-Primaria: composición con la que las partículas llegan a la Tierra.

-Secundaria: composición que alcanzan las partículas dentro de la atmósfera mediante la interacción con otros átomos.


La energía que poseen las partículas que llegan a la Tierra también es muy variada: desde energías inferiores a los TeV, a grandes energías superiores a los 10^20 eV.


En cuanto a su origen, los rayos cósmicos más abundantes proceden de nuestro propio Sol. El resto provienen de nuestra galaxia, pero una pequeña porción tiene un origen extragaláctico, procedentes de los núcleos activos de otras galaxias.


Los rayos cósmicos no sólo tienen importancia en los estudios astrofísicos. También afectan a la biosfera y a la meteorología espacial. Los ingenieros también deben tener en cuenta sus efectos a la hora de diseñar las tecnologías espaciales.

Actualmente hay varios proyectos destinados al estudio de los rayos cósmicos. Podemos destacar el Observatorio Pierre Auger, situado en la ciudad de Malargüe, en la provincia de Mendoza, Argentina, es una iniciativa conjunta de más de 20 países en la que colaboran unos 400 científicos de más de 80 instituciones, con la finalidad de detectar partículas subatómicas que provienen de los rayos cósmicos.

También es conocido el proyecto MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), o sea "Telescopio de rayos gamma por emisión de radiación Cherenkov en la atmósfera". Está localizado en el Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma (Islas Canarias). Tras su construcción en 2004, MAGIC era un solo telescopio Cherenkov con un espejo de 17 metros de diámetro y un área de 240 metros cuadrados, capaz de detectar los destellos de luz producidos en la atmósfera por rayos cósmicos.

Espejo principal del primer telescopio MAGIC.

2 comentarios:

  1. Buenos días,
    ¿Estos rayos cósmicos serían los que se podrían observar en el experimento de la cámara de niebla, no?
    Solo lo he experimentado una vez y ni idea de su origen como muy bien explicais en el artículo. Cósmico engloba muchas posibilidades. Probabilisticamente, deduzco que en su mayoría no deben llegar partículas ionizadas procedentes del sol (como también decis vosotros en el artículo.

    Siempre me ha rondado que tal perjudicial són estos rayos cósmicos que nos afectan para nuestra salud. Hablamos de energia ionizante. Alts valores de energía implican valores altos de frecuencia (y vice-versa).
    Imagino, porque no lo sé, que si no nos afectan demasiado no debe ser por la cantidad de partículas que nos llegan (que debe de ser variable) si no posiblemente por la corta exposición a esta energia en cada partícula.

    ¿Sabeís si hay algun estudio sobre la influencia que pueda tener la magnetosfera de la Tierra sobre estas partículas? Me refiero a si hay zonas más expuestas y otras menos como sucede con las Auroras boreales. A lo mejor estoy mezclando las cosas. Disculpadme si me equivoco y no vacileis en corregirme.

    Genial artículo. muchas gracias.

    PD: He enviado el comentario varias veces pero no me sale ningún mensaje de enviado por lo que tal vez no se haya enviado. Si os lo encontráis repetidas veces pido disculpas.

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    1. Hola Daniel,

      Únicamente hemos encontrado este comentario. Disculpa la demora, pero por motivo personales no ha sido posible responderte antes.

      En principio los rayos cósmicos no suponen un peligro para la vida en la Tierra, pues al entran en la atmósfera se van descomponiendo en otras partículas, las cuales en su mayoría no son peligrosas, como los neutrinos. No obstante, algunos si que sin peligrosos, pero llegan en cantidades muy bajas.

      Sin embargo si que es peligroso en el espacio pues, aunque tienen la protección de la magnetosfera, no tienen la de la atmósfera. Por ejemplo, este es un aspecto crítico que deben tener en cuenta en posibles viajes tripulados a Marte.

      Saludos,

      Fran

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