Nuestro planeta está bajo un constante bombardeo de radiación procedente del espacio.
Bueno, tal vez no sea tan aterrador como parece. “Radiación” es un término general que los astrónomos utilizan para las formas de luz (incluida la luz visible, la que vemos) y también para las partículas subatómicas que caen en el espacio. Normalmente no pensamos en tales partículas como “rayos” (rayos cósmicos, para ser precisos), pero aun así usamos esa nomenclatura debido a la inercia de la jerga.
Algunos rayos cósmicos provienen del sol, otros de otras partes de nuestra Vía Láctea y otros, llamados rayos cósmicos extragalácticos, tienen su origen a través de grandes distancias hasta otras galaxias.
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En realidad, es una idea notable: la Tierra es golpeada rutinariamente por partículas de otras galaxias. Se trata de una larga caminata: un viaje de decenas de millones de años luz, a veces más, que termina cuando uno de estos rayos rebeldes es absorbido inofensivamente por nuestra atmósfera, muy por encima de nuestras cabezas.
Estas partículas llegan con una amplia gama de velocidades, lo que a su vez les da una amplia gama de energía cinética, la energía del movimiento. En nuestro universo macroscópico, utilizamos una unidad como los julios para medir la energía, que todavía es bastante pequeña. (Se necesitan unos cuatro julios para elevar un centímetro cúbico de agua 1 grado Celsius). Sin embargo, los físicos de partículas utilizan una unidad mucho más pequeña llamada electrón voltio (o eV). ¡Se necesitan 26 millones de billones de ellos para calentar esa misma cantidad de agua! Esa es una unidad más apropiada para partículas, la mayor parte del tiempo. Pero los rayos cósmicos se mueven tan rápidamente (cerca de la velocidad de la luz) que pueden tener una energía cinética muy alta, alcanzando fácilmente el nivel de megaelectrones voltios (MeV) y gigaelectrones voltios (GeV).
Aún así no sentirías si uno de estos te golpeara. Pero, sorprendentemente, algunos rayos cósmicos tienen energías mucho más altas que ésta.
En 1991, el detector Fly’s Eye, que monitoreaba el cielo en busca del brillo causado por partículas energéticas que chocaban contra nuestra atmósfera, detectó un destello tan enorme que desafiaba toda creencia: el rayo cósmico que lo provocó tenía una energía de 320 quintillones de eV, o 320 mil millones de GeV. Eso es millones de veces la energía cinética de los protones que podemos generar en nuestros aceleradores de partículas más potentes. De hecho, es tan energético que en realidad tiene un equivalente macroscópico decente: este rayo cósmico transportaba 51 julios de energía cinética, que es aproximadamente lo mismo que una bola curva lenta, pero esta energía proviene de una sola partícula subatómica.
Ha sido apodada la partícula “Dios mío” y hace que se me erice el vello de la nuca.
¿Por qué? Porque los protones son casi incomprensiblemente pequeños; por analogía, el tamaño de un protón comparado con el tamaño de una naranja es aproximadamente el mismo que el tamaño de una naranja comparado con el diámetro de la órbita de Neptuno alrededor del sol.
La partícula OMG es un gran misterio. Por un lado, para tener tanta energía, debe haber viajado increíblemente rápido en relación con la Tierra. Suponiendo que fuera un protón, se movía a una velocidad del 99,99999999999999999999995 por ciento la velocidad de la luz. Si un fotón y la partícula OMG hubieran estado en carrera desde que se formó el universo, la partícula ahora estaría sólo a unos 600 metros detrás.
Entonces, ¿qué podría impulsar una partícula como ésta a velocidades tan ridículamente altas? La respuesta puede sorprenderte.
Eso no es un cebo para hacer clic: ondas de choque, específicamente en estructuras catastróficamente de alta energía, como los rayos enfocados de materia y energía que brotan de un agujero negro supermasivo. El gas ionizado que se mueve rápidamente hacia afuera a partir de tales eventos lleva consigo campos magnéticos extremadamente fuertes. Las partículas subatómicas cargadas (como los protones, que llevan una carga eléctrica positiva) se aceleran cuando se mueven a través de dichos campos, a veces a gran velocidad. Pero si el gas choca con otras nubes de gas, las partículas subatómicas pueden hacer ping-pong entre ellas, ganando energía cada vez que rebotan. (Esto se llama aceleración de Fermi de primer orden, un término que me encanta por su cadencia similar a la de Star Trek). Pueden volverse tan enérgicos que salen disparados como una piedra de una catapulta.
Aun así, hacer que las partículas alcancen meros femtómetros por segundo más lentamente que la luz misma es extraordinario, y no está claro qué procesos específicos están involucrados. No se conocen fuentes capaces de hacer esto en la Vía Láctea, por lo que es muy probable que la partícula OMG provenga de otra galaxia. El segundo rayo cósmico de mayor energía jamás visto, apodado Amaterasu en honor a la diosa sintoísta del sol, tenía una energía de 244 quintillones de eV, y parece haber venido de una porción de cielo que se superpone con la galaxia PKS 1717+177, conocida por tener chorros extremadamente poderosos saliendo de su agujero negro central. Muchas otras también se han asociado con otras galaxias activas.
Y hay más misterio en marcha. La velocidad de la partícula OMG en realidad viola una regla cósmica utilizada por los astrofísicos de partículas. El universo está lleno de radiación sobrante del big bang llamada fondo cósmico de microondas. Esto es algo de bastante baja energía, suponiendo que no te estés moviendo rápidamente en relación con él.
Pero una partícula que se mueve cerca de la velocidad de la luz verá que la radiación que viene delante de ella se amplifica enormemente en energía debido al desplazamiento Doppler, y a estas velocidades, ese efecto opera en un nivel ridículamente extremo. Un protón golpeado por fotones de alta energía debería perder energía, ralentizándolo, por lo que a velocidades muy altas en realidad se desacelera rápidamente. Hay un límite aún más estricto; Si los fotones que ve tienen suficiente energía, el protón se convertirá en otras dos partículas subatómicas, un neutrón y un pión. Ambos se desintegran rápidamente en aún más partículas, por lo que, al final, los protones de energía ultraalta (con más de 50 quintillones de eV) de galaxias distantes nunca deberían llegar a nosotros.
Entonces, ¿cómo llegó aquí la partícula OMG?
La respuesta puede ser simplemente que no era un protón. Los rayos cósmicos son una mezcla de diferentes partículas subatómicas, incluidos núcleos de helio (dos protones y dos neutrones unidos) o incluso elementos más pesados. Un núcleo de hierro, un culpable común de los rayos cósmicos, no se vería afectado de la misma manera que un protón y podría realizar ese largo viaje hasta la Tierra.
La partícula OMG es el rayo cósmico de mayor energía jamás detectado, pero se han visto muchos otros con energías algo más bajas pero aún sorprendentes. Claramente, el universo no tiene problemas para fabricarlos, incluso si son raros.
Además del aspecto asombroso de ellos, también nos dicen algo importante sobre el cosmos. Existen motores de potencia extrema, capaces de producir partículas mucho más energéticas de las que podríamos esperar en la Tierra. Energías como ésta eran comunes, incluso ubicuas, en el universo primitivo, por lo que encontrar partículas como ésta es como tener una ventana a la fracción de segundo posterior al big bang.
El universo nos está enseñando sobre sí mismo y todo lo que tenemos que hacer es prestar atención a las pequeñas cosas.