Estire su mano y sosténgala durante unos
10 segundos. Una docena de electrones y muones acaban de
atravesar su palma sin que usted lo haya sentido. Estas fantasmales
partículas son llamadas por los científicos «rayos
cósmicos secundarios» — sobrantes subatómicos
de las colisiones entre moléculas localizadas a gran altura
en la atmósfera terrestre y rayos cósmicos de alta
energía provenientes del espacio exterior.
Los rayos cósmicos son núcleos atómicos
y electrones que viajan a través de la galaxia a una velocidad
cercana a la de la luz. La Vía Láctea está
llena de rayos cósmicos. Afortunadamente, la magnetósfera
y la atmósfera de nuestro planeta nos protejen de la mayoría
de los rayos cósmicos. Aún así, los más
poderosos -que pueden llevar consigo mil millones de veces más
energía que las partículas creadas dentro de los
aceleradores atómicos en la Tierra- producen grandes tormentas
de partículas secundarias en nuestra atmósfera
que sí pueden alcanzar la superficie de nuestro planeta. [más
datos]
Arriba: Explosiones de supernova, como la que creó
la Nebulosa del Cangrejo (fotografía), podrían
ser la
fuente de los rayos cósmicos galácticos.
¿De dónde provienen los rayos cósmicos?
Los científicos han estado tratando de contestar esta
pregunta desde 1912, cuando Victor Hess descubrió las
misteriosas partículas volando en un globo a gran altitud
sobre Europa. Los rayos cósmicos galácticos llueven
sobre nuestro planeta desde todas partes. No existe una fuente
definida que los astrónomos puedan señalar aunque haya
un candidato muy popular.
«La mayoría de los investigadores creen que
los rayos cósmicos provienen de las explosiones de supernova»,
dice Jim Adams del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la
NASA. Cuando las estrellas masivas explotan lanzan sus propias
atmósferas al espacio. Las ondas de choque en expansión
pueden romper átomos interestelares y acelerar los sobrantes
de estos rompimientos hasta convertirlos en la energía
de los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos son,
más tarde, dispersados por campos magnéticos interestelares
— y vagan a traves de la galaxia perdiendo el sentido de su
dirección original.
«Se necesita una gran potencia para mantener la población
galáctica de rayos cósmicos,» dice Adams. «Los
rayos cósmicos que pierden energía o que escapan
de los confines de la galaxia tienen que ser reemplazados. Las
supernovas pueden hacer este trabajo solamente si una de ellas
explota más o menos cada 50 años. Los observadores
calculan que una supernova explota en algún lugar de la
galaxia de cada 10 a 100 años — apenas suficiente para
satisfacer las necesidades energéticas de los rayos cósmicos.
Sin embargo, puede que exista un problema con la teoría
de las supernovas, dice Adams.
«Una explosión de supernova genera una burbuja
en el medio interestelar que crece hasta que la onda de choque
se queda sin energía», explicó. «Estas
burbujas pueden acelerar partículas hasta un cierto punto,
alrededor de los 1014 electrón-volts
(eV) por cada núcleo atómico, pero no más
allá. Por debajo de los 1014 eV de energía
, todas las diferentes especies de rayos cósmicos –protones,
núcleos de Helio, etc. — deberían tener el
mismo tipo de espectro de energía: una ley de potencias
con un índice cercano a -2.7.»
Izquierda:
Esta gráfica logarítmica muestra el flujo de rayos
cósmicos que bombardea la Tierra como una función
de la energía por partícula. Los investigadores
creen que los rayos cósmicos con energías menores
a los ~3×1015 eV provienen de las explosiones de supernova.
El origen de los rayos cósmicos mucho más energéticos
que éstos (arriba de la «rodilla» en el diagrama)
sigue siendo un misterio.
Una espectro tipo «ley de potencias» tiene forma
de línea recta en un papel logarítmico. En el rango
de energías de ~1010 eV a 1014
eV, la teoría de la aceleración de los rayos cósmicos
en las supernovas predice que el espectro en ley de potencias
de los protones tendría la misma pendiente que la ley
de potencias de núcleos más pesados (alrededor
de -2.7).
El problema surge cuando los científicos comparan el
espectro de energía de los protones y los núcleos
de Helio, pues no se parecen tanto como deberían. Ambos
presentan espectros tipo ley de potencias, sin embargo «los
datos que se tienen indican una posible diferencia de 0.1 entre
los índices espectrales de los protones y los núcleos
de Helio,» dice Eun-Suk Seo, investigadora de los rayos
cósmicos de la Universidad de Maryland. «El [la pendiente
del] espectro de los protones es cercano a -2.7, pero el espectro
de energía del Helio y los núcleos más pesados
parecería estar menos inclinado. La diferencia es pequeña
y podría no ser estadísticamente significativa».
Si hubiera una discrepancia genuina, añade Seo, podría
existir un problema con la teoría de la aceleración
de los rayos cósmicos en las supernovas.
Para averiguar si la teoría de las supernovas está
de hecho en peligro, un equipo de científicos dirigidos
por John Wefel (Universidad Estatal de Louisiana) y Eun-suk Seo,
y con ayuda del Centro Nacional de Ciencia con Globos Sonda,
lanzaron un globo
lleno de Helio desde McMurdo, Antártica, el 28 de
diciembre del 2000. La carga útil, que se encuentra ahora
a 120,000 pies por encima de la superficie terrestre, incluye
un espectrómetro de rayos cósmicos construido con
fondos de la NASA, conocido por sus creadores como el Calorímetro
Delgado para Ionización de Diseño Avanzado
o «ATIC», por sus siglas en inglés.
«ATIC es sensible a los rayos cósmicos con energías
entre los ~1010eV y los 1014eV»,
dice Wefel. Al cubrir tal rango de energías con un solo
espectrómetro, el equipo espera poder medir el espectro
de los rayos cósmicos protónicos y de Helio con
una precisión alcanzada hasta ahora.
Right:
La carga útil del ATIC cuelga de un vehículo de
lanzamiento mientras el globo es llenado al fondo por personal
del Centro
Nacional de Ciencia con Globos Sonda. El experimento ATIC
despegó hacia su vuelo circumpolar para medir rayos cósmicos
galácticos este 28 de diciembre, 2000.
«Los rayos cósmicos de alta energía son
raros», continuó. «Por ejemplo, cada día
el ATIC recolecta no más de ~10 rayos cósmicos
con energías que excedan los 1013 eV. Por eso
debemos volar el globo durante tanto tiempo, para juntar suficientes
partículas y para obtener un resultado estadísticamente
significativo». Cuando el ATIC aterrice, el 12 o 13
de enero, el espectrómetro habrá estado en la estratósfera
contando rayos cósmicos por casi dos semanas enteras.
La principal razón por la que los investigadores escogieron
volar el globo sonda sobre la Antártica es el tiempo de
vuelo. «Estaríamos felices de volar esta carga
útil sobre Norteamérica» dice Adams. «El
problema es que necesitamos tener al espectrómetro a bordo
durante mucho tiempo. La Antártica tiene dos grandes
ventajas: es territorio internacional, por lo que no tenemos
que solicitar tantos permisos de sobrevuelo y, el Vórtex
Antártico (un sistema de clima circulante alrededor del
Polo Sur) mantiene el globo confinado al espacio aéreo
sobre el continente».
«Si existe una diferencia entre los espectros protónicos
y de Helio — algo de lo cual no estamos seguros — no será
necesario desechar el modelo de las supernovas». continuó Wefel.
«Sin embargo, una discrepancia sí causaría
problemas». Los teóricos tendrían
que considerar el avance de los frentes de choque de las explosiones
de supernova con mayor detalle. «Cada explosión de
supernova es una obra de arte en sí misma», dice
Adams. «Nosotros usamos modelos matemáticos en los
que se asume que las explosiones son esféricas, pero no
lo son. Dentro de la propia onda en expansión, se pueden
ver irregularidades. Hay nudos brillantes, por ejemplo, en aquellos
lugares donde las ondas de choque se encuentran con una
nube de material interestelar. En grupos apelmazados de estrellas
masivas (asociaciones OB) donde las supernovas pueden ocurrir
en rápida sucesión, las ondas de expansión
colisionan unas con otras» ¡se puede volver un poco
confuso! Modelar tales detalles podría afectar cualquier
reconciliación entre la teoría y los datos.
Arriba: La carga util del globo ATIC. HAga click en la
imagen para averiguar cómo funciona el Calorímetro
Delgado para Ionización de diseño Avanzado.
¿Y si el modelo de las supernovas no puede ser rescatado?
«Hay otras posibilidades,» dice Wefel, «Pero no
hay muchas que sean buenas. Vamos a tener que buscar con mucho
cuidado para encontrar algo que cumpla con los requerimientos
de los rayos cósmicos y que no sean las supernovas.»
El grupo de análisis dirigido por Eun-Suk Seo
está ansioso para lanzarse sobre los archivos de datos
del ATIC después de que aterrice. Los nuevos conteos de
partículas, que los investigadores esperan sean los más
precisos hasta la fecha en el rango de energías del ATIC,
podrían ayudar a resolver el misterio de los rayos cósmicos,
que data de hace varias décadas.
Visite la página principal del ATIC para un
reporte
de situacion actual sobre el vuelo del globo sonda . Entre
los Participantes
del proyecto ATIC se incluyen a la Universidad Estatal de Louisiana,
la Universidad de Maryland, NASA, el Laboratorio de Investigaciones
Navales, La Universidad Sureña (Baton Rouge), La Fundación
Nacional para la Ciencia, y colaboradores de Alemania, Corea
y Rusia.
Enlaces de interés |
El
Vídeos del ATIC – una colección de
Actividades con rayos cósmicos
Rayos cósmicos, ¿Qué
Programa Científico
Supernovas y Remanentes de |