¿De dónde vienen las partículas más energéticas del universo?

Utah, Estados Unidos. El 15 de octubre de 1991, el observatorio de rayos cósmicos de Fly’s Eye detecta un evento sin precedentes: una partícula proveniente del espacio choca con la atmósfera con la misma energía que a una pelota de tenis a moviéndose 170 km/h. Los responsables del observatorio publicaron el descubrimiento refiriéndose a su detección sencillamente como «el evento», pero, en algún momento, alguien decidió que esta extraordinaria partícula merecía un título más peliculero y ha acabado conociéndose como partícula Oh-My-God.

Pero, le llamemos como le llamemos, el misterio sigue siendo el mismo: ¿de dónde venía esa partícula tan inusualmente energética?

Bombardeo cósmico

El espacio está lleno de partículas que recorren el vacío a una fracción considerable de la velocidad de la luz y que reciben el nombre de rayos cósmicos. El 90% de los rayos cósmicos son protones sueltos, el 9% son núcleos de helio y entre el 1% restante hay electrones, núcleos de elementos más pesados e incluso antimateria.

La energía cinética que posee cada rayo cósmico depende de su masa y su velocidad, pero recordemos que estamos hablando de partículas que se desplazan a una fracción considerable de velocidad de la luz. En estas condiciones, los efectos relativistas provocan que un incremento minúsculo de velocidad se traduzca en un aumento de energía inmenso. Por ejemplo, un objeto que se mueve al 99,99% de la velocidad de la luz tiene 3,2 veces más energía cinética que otro que se desplaza al 99,9% de esa cifra.

En caso es que algunas de estas partículas rapidísimas que recorren el espacio acaban adentrándose en nuestro sistema solar y chocando con las moléculas de gas que se encuentran en las capas altas de la atmósfera terrestre. Estas colisiones son tan energéticas que los átomos involucrados estallan en mil pedazos, provocando una lluvia de partículas secundarias que se precipita hacia la superficie de la Tierra. Es más, estas lluvias de partículas provocadas por los rayos cósmicos representan alrededor de un 10% de la dosis de radiación a la que estamos expuestos cada año.

Pues, bien, resulta que existen instrumentos que son capaces de detectar estas lluvias de partículas secundarias y medir su energía para determinar de qué dirección provenía el rayo cósmico que las provocó, además de su masa y su velocidad. Gracias a estos datos, los astrónomos han logrado identificar algunas fuentes de rayos cósmicos «convencionales».

El origen de los rayos cósmicos

Las partículas de los rayos cósmicos sólo pueden haber sido aceleradas hasta estas velocidades tan tremendas por algún evento muy violento. Por ejemplo, sabemos que las eyecciones de masa coronal y las llamaradas solares de nuestra propia estrella expulsan partículas al espacio de vez en cuando, pero se trata de las menos energéticas que a la Tierra. En realidad, el término «rayo cósmico» se utiliza con más frecuencia para hablar de partículas que provienen de fuera de nuestro sistema solar.

Entre las fuentes extrasolares de rayos cósmicos «convencionales» se encuentran las supernovas, las explosiones descomunales que marcan el final de la vida de las estrellas más masivas. De hecho, después de pasar 4 años observando los rayos gamma emitidos por las remanentes de dos supernovas mediante el Telescopio Espacial Fermi, un estudio de 2013 logró detectar la presencia de protones siendo acelerados a grandes velocidades por las ondas de choque producidas por sus estallidos.

Otro posible punto de partida de estas partículas es el núcleo de nuestra propia galaxia. En este caso, el agujero negro súpermasivo que reside en el centro de la Vía Láctea (Sagitario A*) estaría redirigiendo hacia el espacio parte del material que consume y expulsándolo a grandes velocidades, un proceso que tendría lugar a una escala mucho mayor en otras galaxias mucho más activas que la nuestra.

Ahora bien, identificar los fenómenos que producen los rayos cósmicos es todo un reto porque estas partículas llegan a la Tierra de manera muy uniforme desde todas las direcciones del cielo. Y, por si eso fuera poco, la partícula Oh-My-God pertenece a una categoría de rayos cósmicos aún más difícil de estudiar: los llamados rayos cósmicos ultra-energéticos.

Energía extrema

La mayor parte de los rayos cósmicos se desplazan por el espacio a entre el 43% y el 99,6%, de la velocidad de la luz, lo que les proporciona energías de entre 0,1 y 10 gigaelectrón-voltios (GeV). En comparación, la energía de la partícula Oh-My-God rondaba los 320.000.000.000 GeV, una cifra comparable a la de una bola de beisbol viajando a 94 km/h (de ahi que pertenezca a la categoría de rayos cósmicos ultra-energéticos). Si se asume que dicha partícula era un protón solitario, esta cifra sugiere que se movía a un 99.99999999999999999999951% de la velocidad de la luz.

Aunque desde entonces se han detectado unos 70 eventos similares, estos rayos cósmicos ultra-energéticos llegan a la Tierra con tan poca frecuencia que sólo producen una lluvia de partículas secundarias cada 100 años sobre cada kilómetro cuadrado de la superficie terrestre. Por tanto, estudiar estos eventos en una escala temporal razonable requiere colocar detectores en un área lo más amplia posible. Eso es precisamente lo que hace el Pierre Auger Observatory (PAO), en la Pampa Amarilla, Argentina: con su superficie de detección de 3000 kilómetros cuadrados, los datos obtenidos por el PAO permitieron trazar el origen del 10% de los rayos cósmicos ultra-energéticos a regiones del cielo ocupadas por galaxias que están experimentando intensos episodios de formación de estrellas.

Pese a todo, aún se desconoce el origen de la mayor parte de los rayos cósmicos ultra-energéticos. Es cierto que existe toda una lista de objetos astronómicos que podrían emitirlos (como los púlsares, los núcleos activos de otras galaxias, las colisiones galácticas o los estallidos de rayos gamma) pero, hasta que no se logren identificar más regiones del cielo que «disparan» partículas extremadamente veloces, su origen seguirá envuelto en un halo de misterio. Un halo que, gracias a la ciencia, cada vez es más fino.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Hay ciertos grupos de personas que insisten en que el incremento de la temperatura que está experimentando nuestro planeta en la actualidad no es culpa del ser humano, sino de los rayos cósmicos. Esta afirmación no tiene sentido por la simple razón de que el flujo de rayos cósmicos se ha mantenido constante durante todo este tiempo: en los últimos 50 años, su intensidad sólo ha variado un 0,2%, una cifra tan pequeña que su contribución al calentamiento global es despreciable.

REFERENCIAS (MLA):

• M. Ackermann et al., “Detection of the Characteristic Pion-Decay Signature in Supernova Remnants”. Science Magazine, volumen 339, página 807 (2013).
• A. Aab et al., “An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources”. The American Astronomical Society, Febrero de 2018.
• Todor Stanev, “Ultra High Energy Cosmic Rays”. SLAC Summer Institute on Particle Physics (SSI04), (2004).