Las rocas recuerdan nuestro viaje por la Vía Láctea

Igual que la Tierra se mueve en torno al Sol, el Sistema Solar también gira alrededor del centro de la Vía Láctea. Es un viaje un poco diferente, porque le lleva 240 millones de años dar una vuelta completa, y el camino no está tan despejado como en la órbita de la Tierra. A lo largo de ese recorrido el Sistema Solar se encuentra con nubes de polvo frío y se acerca a regiones en las que están naciendo nuevas estrellas. Creemos que todas esos “ecosistemas” pueden afectar a nuestro planeta, pero no sabemos muy bien cómo, dado que esas cosas pasaron hace millones de años y nosotros sólo podemos observar la Tierra tal y como es ahora. Sería estupendo si pudiéramos tener una “fotografía” de cómo era la Tierra hace millones de años.

¡Esa fotografía existe! Son las rocas: la vida de una roca es muy larga, de decenas de millones o incluso miles de millones de años. Durante todo ese tiempo las rocas van guardando información sobre lo que pasa en su entorno, y si aprendemos a leer esa información podemos usarlas como una instantánea del pasado remoto. En esencia, eso es lo que hace la geología: “leer” las rocas para aprender sobre nuestro planeta y sobre cómo fue su pasado. Ahora tal vez la podamos usar también para aprender sobre nuestra galaxia.

Lluvia del espacio exterior

La forma más evidente en que el ecosistema galáctico afecta a la Tierra es a través de una llovizna de partículas que cae continuamente sobre nuestro planeta. Esas partículas están tranquilamente moviéndose por la Galaxia y son “atropelladas” por el Sistema Solar cuando éste se mueve por ella, o vienen de fuera de la Vía Láctea e “impactan” en nuestro sistema como un meteorito que se adentra en la atmósfera. El campo magnético del Sol es un escudo protector contra estas partículas, pero las más rápidas logran atravesarlo y pueden llegar a la Tierra.

Llamamos a esas partículas rayos cósmicos. La gran mayoría son protones solitarios, pero también podemos encontrar en ellos electrones, positrones o incluso núcleos atómicos pesados. Si impactan contra nuestro planeta su destino es siempre el mismo: no tardan en encontrarse con algún átomo de la atmósfera y lo parten en mil pedazos. Los pedazos, a su vez, siguen atravesando la atmósfera rompiendo otros átomos a su paso, y llegan a la superficie en forma de una especie de lluvia fina que cubre varios kilómetros cuadrados. Nosotros no nos enteramos, pero unos 10.000 rayos cósmicos nos atraviesan cada segundo, incluso cuando estamos dentro de un edificio. En esa lluvia fina hay muchos tipos de partículas, pero varias de ellas pueden atravesar sin problemas cientos de metros de piedra, y nos duchan incluso cuando estamos en un sótano.

Los rayos cósmicos pueden afectar a la Tierra de varias maneras: en primer lugar impactan contra el campo magnético, que trata de desviarlos; además afectan a la química de la atmósfera, porque rompen algunos átomos y producen otros nuevos. Y creemos que pueden jugar un papel también en la formación de nubes, aunque su importancia en este contexto todavía no la entendemos bien.

Sea como sea, parece lógico pensar que según cuál sea nuestro entorno galáctico el chaparrón de rayos cósmicos puede ser diferente. Seguramente no sea lo mismo estar atravesando una nebulosa que estar en una región despejada, y si el Sistema Solar pasa cerca de una estrella de neutrones, que se sabe que eyectan partículas de alta energía, cabe pensar que algunas de ellas terminen como rayos cósmicos. En definitiva, ¿es posible que esa “meteorología galáctica” haya afectado en el pasado a la química o el clima de nuestro planeta?

Heridas fosilizadas

Para averiguarlo, un grupo de científicos propone que busquemos los rayos cósmicos del pasado en nuestra cápsula del tiempo favorita: las rocas. Resulta que ciertos minerales son sensibles al paso de partículas por su interior. O mejor dicho: las partículas son demasiado pequeñas para dejar marca, pero si una partícula choca con un átomo del mineral, el átomo empezará a moverse por el interior como un elefante en una cacharrería. En su movimiento golpeará a otros átomos, romperá la red cristalina y dejará una “cicatriz”, una marca que quedará fosilizada en la roca y seguirá siendo visible millones de años después.

Estas cicatrices se llaman trazas nucleares, y se han observado en varios tipos de minerales. Normalmente se deben a la desintegración radiactiva del uranio, que aparece en pequeñas cantidades dentro del mineral y de vez en cuando se desintegra por fisión espontánea, separándose en dos núcleos grandes que salen en direcciones opuestas. Cada uno de esos núcleos genera una de estas cicatrices a su paso.

La idea, pues, sería tomar uno de estos minerales y encontrar en ellos trazas que no fueran del uranio, sino de esos rayos cósmicos de épocas pasadas. Por fortuna, parece que distinguir unas de las otras será sencillo, porque las tazas del uranio tienen siempre una longitud entre 20 y 50 micras, mientras que las de los rayos cósmicos pueden tener fácilmente longitudes más cortas y más largas. Eso sí, a cambio, las tazas de rayos cósmicos serán mil veces menos abundantes, así que habrá que buscar mucho para encontrarlas.

Rocas profundas

Otro problema con el que se encontrará esta técnica es localizar rocas que representen fielmente el flujo de rayos cósmicos a los que estaba sometida la Tierra. Como hemos dicho antes, muchas de las partículas que llegan a la superficie en esa llovizna cósmica pueden atravesar cientos de metros de material, o incluso kilómetros. Así pues, si encontramos un cristal con pocas trazas de origen cósmico ¿eso significa que durante una época llegaron pocos rayos cósmicos, o quiere decir simplemente que ese cristal ha estado enterrado a gran profundidad, donde llegan pocas partículas?

Si queremos que la técnica funcione es imperativo eliminar esta incertidumbre. Por fortuna la naturaleza nos da la herramienta perfecta para hacerlo: los neutrinos. Los neutrinos son partículas que interaccionan muy poco con la materia, y de hecho son capaces de atravesar un planeta entero. De todos los neutrinos que llegan a la Tierra sólo unos pocos terminan chocando con algún átomo; el resto simplemente atraviesan el planeta de parte a parte y escapan al espacio. En esas cascadas de partículas producidas por los rayos cósmicos también hay neutrinos, y ellos son los candidatos ideales para informarnos de cuántos rayos cósmicos llegan a la Tierra. El truco es el siguiente: como los neutrinos pueden atraviesan toda la Tierra habrá los mismos impactos debidos a neutrinos en una roca que está en la superficie que en una que está a diez kilómetros. Serán muy pocos en ambos casos, pero en ambos serán representativos del total de neutrinos que han pasado por allí, y por lo tanto, también del total de rayos cósmicos.

Una vez escogidos los neutrinos como las partículas que queremos observar sólo nos queda un paso más: librarnos de todas las demás. Tenemos que observar rocas a las que sólo hayan llegado los neutrinos. Eso es fácil: basta con coger rocas suficientemente profundas. Las partículas que más profundo logran llegar después de los neutrinos son los muones, y ningún muón debería llegar a más de 5 kilómetros de profundidad. Así pues, deberemos observar rocas que podamos asegurar que nunca han estado a menos de 5 kilómetros de la superficie. De esta forma garantizamos que todas las trazas cósmicas de esa muestra provienen de neutrinos.

Seleccionar las rocas correctas no será fácil. Habrá que conocer la historia geológica de esa formación, para estar seguros de que no ha estado demasiado cerca de la superficie. Tampoco será fácil extraer las muestras, porque no existe ninguna mina que llegue hasta 5 kilómetros de profundidad. Pero sí existen técnicas de perforación y muestreo capaces de llegar a más de 12 kilómetros, así que tecnológicamente es posible.

Reconstruyendo la historia de los rayos cósmicos

Una vez con las rocas en nuestras manos el siguiente paso será ordenarlas por edades. Las rocas más jóvenes sólo habrán estado expuestas durante los últimos millones de años, así que lógicamente tendrán menos cicatrices. Las más viejas habrán acumulado más cicatrices cuanto más antiguas sean. Así que para entender lo que estamos viendo habremos de conocer primero las rocas más recientes y luego ir remontándonos poco a poco hacia el pasado. Este proceso debería mostrarnos si hubo épocas con más rayos cósmicos, y si las hubo, cuánto duraron y si estuvieron asociadas a fenómenos climáticos o a episodios de interés biológico. Si podemos, trataremos también de relacionar los cambios en el flujo de rayos cósmicos con la órbita del Sistema Solar alrededor de la Galaxia.

Esta técnica apenas acaba de ser propuesta, y probablemente tardará años en ser aplicada. Habremos de aprender a “leer” esta nueva propiedad de las piedras, pero si lo logramos podremos acceder a unas páginas de la historia de nuestro planeta que todo el mundo daba por perdidas. Estaremos, literalmente, descifrando el diario de bitácora de nuestro planeta en su movimiento por la Vía Láctea.

QUE NO TE LA CUELEN

• La técnica que describimos en este artículo es todavía una propuesta que no ha sido aplicada en la práctica. Aunque las ideas parecen plausibles y la tecnología necesaria ya existe (lo cual no es poco), sólo sabremos si funciona cuando tengamos las rocas y podamos buscar las trazas dejadas por los neutrinos cósmicos.
• Es posible que los rayos cósmicos tengan cierto efecto sobre el clima de la Tierra, a través de las modificaciones que producen en la química de la atmósfera y de su posible efecto sobre la formación de nubes. Sin embargo, este efecto es pequeño, y salvo catástrofe de proporciones astronómicas no debería producir grandes cambios en el clima terrestre.
• El análisis de las trazas nucleares no es la única manera de obtener información sobre el flujo de rayos cósmicos en el pasado, pero sí es de las más directas. Otras técnicas que nos dan este tipo de información dependen más fuertemente de las condiciones atmosféricas o las propiedades del océano en el pasado, que no siempre son fáciles de establecer.

REFERENCIAS

• Johnathon Jordan et al. Measuring Changes in the Atmospheric Neutrino Rate over Gigayear Timescales. Physical Review Letters, vol. 125, artículo nº 231802 (2020)
• Kerry Gallagher et al. Fission Track Analysis And Its Applications To Geological Problems. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, vol. 26, pp. 519-572 (1998)