La Tierra está bajo constante bombardeo por rayos cósmicoslluvias de partículas de alta energía que explotan nuestro planeta desde todas direcciones a una velocidad cercana a la de la luz.
Si bien esto puede parecer el precursor de una invasión extraterrestre de ciencia ficción, es un fenómeno real del que los científicos han sido conscientes durante más de un siglo. A pesar de su dramática descripción, los rayos cósmicos son en realidad bastante comunes: pasan a través de nuestro planeta con tanta regularidad que durante una noche promedio de sueño, una persona tendrá alrededor de un millón de rayos cósmicos viajando a través de su cuerpo, según el Universidad de Birmingham en el Reino Unido
A pesar de su ubicuidad, los rayos cósmicos todavía presentan misterios científicos. Mientras que los rayos cósmicos de baja energía que impactan Tierra Se sabe que tienen su origen en solotros con energías más altas fluyen hacia el sistema solar desde lo profundo espacio. Los orígenes de estos rayos cósmicos extrasolares son menos conocidos y se sospecha que sus fuentes incluyen agujeros negros y el supernova Explosiones que marcan la muerte de estrellas masivas.
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Los rayos cósmicos “se han detectado aquí en la Tierra desde hace más de 100 años. Sin embargo, su origen sigue siendo en gran medida desconocido”, afirmó Julia Tjus, profesora de física y astronomía en la Universidad del Ruhr en Alemania, dijo a Space.com por correo electrónico. “Estas pequeñas partículas alcanzan energías que van mucho más allá de lo que podemos alcanzar aquí en la Tierra. Estamos tratando de resolver un enigma que ya tiene más de 100 años y juntar las piezas de manera lenta pero constante”.
¿Qué son los rayos cósmicos?
Los rayos cósmicos son corrientes de partículas de alta energía que impactan atmósfera terrestre casi a la velocidad de la luz. Fueron descubiertos en el siglo XX y el El término “rayos cósmicos” fue acuñado por el físico Robert Millikan en 1925..
Desde entonces, los científicos han determinado que billones de rayos cósmicos llegan a la Tierra cada día, pero la gran mayoría son bloqueados por la radiación del planeta. magnetosfera y atmósfera.
Según la Universidad de Chicago, más del 90% de los rayos cósmicos son núcleos de hidrógeno (protones individuales), el 9% son núcleos atómicos de helio y el 1% son núcleos de elementos pesados hasta el hierro. Se llaman “partículas hadrónicas” porque están compuestas de hadrones, como protones y neutronesque están formados por partículas fundamentales llamadas quarks.
“También hay electrones y positrones [the antiparticles of electrons] llegando a nosotros en forma de rayos cósmicos pero en cantidades más pequeñas que las partículas hadrónicas. A menudo se les llama electrones de rayos cósmicos”, dijo Tjus. “A veces, la gente también incluye las partículas neutras de alta energía: fotones y neutrinos — en el término rayos cósmicos, pero en la mayoría de las definiciones, estos se mantienen por separado.”
¿Cómo se vuelven tan energéticos los rayos cósmicos?
El quid del misterio de los rayos cósmicos es cómo estas partículas pueden alcanzar energías tan increíbles que las hacen acelerar hasta cerca de velocidad de la luz.
“Conocemos bastante bien las energías de los rayos cósmicos.el universo “De alguna manera acelera partículas de hasta 10²⁰ (1 seguido de 20 ceros) electronvoltios (eV)”, dijo Tjus. “En comparación, los aceleradores terrestres, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, sólo puede acelerar partículas de hasta 10¹³ eV, muchos órdenes de magnitud menos de lo que el universo puede alcanzar. No se comprende el mecanismo de cómo acelerar partículas hasta estas energías extremas”.
Una sugerencia es que las partículas podrían acelerarse a tales energías mediante un frente de choque que se crea cuando un material que viaja a una velocidad increíblemente alta choca contra un medio que se mueve más lentamente, creando un cambio repentino en este último. Esto generaría un campo magnético turbulento que podría actuar como un potente y natural acelerador de partículas cósmicas.
Una posible forma de generar tales condiciones sería en una supernova, la explosión que ocurre cuando una estrella masiva muere. Esta explosión enviaría las capas externas de la estrella a velocidades increíbles hasta que este material estelar finalmente golpeó la medio interestelar — nubes de gas que se mueven lentamente entre estrellas — creando un remanente de supernova brillante.
“Los restos de supernovas son candidatos razonables para los rayos cósmicos que provienen del interior del vía Láctea. Hay evidencia de que los restos de supernovas pueden acelerar partículas con energías de hasta alrededor del GeV. [around 10⁹ to 10¹² eV]”, dijo Tjus. “En las energías más altas, alrededor de 10²⁰ eV, sabemos que estas partículas deben provenir de otras galaxias”.
Dijo que una fuente razonable de estos rayos cósmicos de mayor energía son los núcleos galácticos activos (AGN), los centros de galaxias activas que se alimentan de energía. agujeros negros supermasivos con masas millones o miles de millones de veces la masa del sol.
Los agujeros negros supermasivos AGN están rodeados de materia de la que se alimentan gradualmente, que también agitan con su inmensa influencia gravitacional, lo que hace que brillen más que la luz combinada de todas las estrellas circundantes. galaxia. La materia en estas regiones que no llega al agujero negro supermasivo central puede canalizarse hacia los polos del agujero negro, donde es expulsada en forma de chorros de materia a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando estos chorros chocan con el material interestelar circundante, esta colisión también podría generar rayos cósmicos.
Otra posible fuente de rayos cósmicos podrían ser las llamadas galaxias con brotes estelares (es decir, aquellas que están experimentando un ritmo excepcionalmente alto de formación estelar) y que albergan estallidos de rayos gammadijo Tjus.
Pero si los rayos cósmicos provienen de algunos de los eventos más violentos y conspicuos del universo, ¿por qué los astrónomos luchan por rastrear estas partículas cargadas hasta sus fuentes?
Una máquina de pinball cósmica
Una de las razones por las que es difícil encontrar las fuentes de los rayos cósmicos es porque están formados por partículas cargadas que están influenciadas por campos magnéticos. Cuando estas partículas encuentran campos magnéticos en sus largos viajes por el espacio para llegar a nosotros, se desvían.
Entonces, cuando los rayos cósmicos extragalácticos lleguen a la Tierra después de viajar millones o miles de millones de años luz, han sido desviados y redirigidos multitud de veces, rebotando por el cosmos como una bola en una máquina de pinball celestial. Esto hace que la reconstrucción de su camino original sea casi imposible, pero puede haber una forma indirecta de hacerlo.
“Cuando los rayos cósmicos interactúan con el gas, estas interacciones conducen a la producción de fotones y neutrinos. Se trata de partículas neutras que viajan en línea recta y, por lo tanto, pueden revelar indirectamente el origen de los rayos cósmicos”, explicó Tjus.
Actualmente, los rayos cósmicos se estudian en una amplia gama de energías, desde 10⁹ eV hasta 10²⁰ eV, y los científicos analizan todo, desde la composición de los rayos cósmicos hasta sus direcciones preferidas en el cielo. Tjus cree que con una combinación de modelado 3D y mediciones de precisión de neutrinos y fotones asociados con los rayos cósmicos, se puede avanzar en la comprensión de dónde provienen los rayos cósmicos y cómo se lanzan con energías tan increíbles.
“El enigma de los rayos cósmicos sólo puede resolverse reuniendo diferentes piezas de información de los diferentes mensajeros observados”, dijo Tjus. “Hoy en día existe una gran variedad de observatorios que proporcionan información diferente.”‘