20.4: Rayos Cósmicos

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 127476

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrás:

Definir los rayos cósmicos y describir su composición
Explicar por qué es difícil estudiar el origen de los rayos cósmicos, y las hipótesis principales actuales sobre de dónde podrían provenir

Además de gas y polvo, una tercera clase de partículas, destacables por las altas velocidades con las que viajan, se encuentra en el espacio interestelar. Los rayos cósmicos fueron descubiertos en 1911 por un físico austriaco, Victor Hess, quien voló instrumentos simples a bordo de globos y demostró que las partículas de alta velocidad llegan a la Tierra desde el espacio (Figura\(\PageIndex{1}\)). El término “rayo cósmico” es engañoso, implicando que podría ser como un rayo de luz, pero estamos atrapados con el nombre. Definitivamente son partículas y tienen casi la misma composición que el gas interestelar ordinario. Su comportamiento, sin embargo, es radicalmente diferente al gas que hemos discutido hasta ahora.

Figura\(\PageIndex{1}\): Victor Hess (1883—1964). El pionero de los rayos cósmicos Victor Hess regresa de un vuelo en globo de 1912 que alcanzó una altitud de 5.3 kilómetros. Fue en tales vuelos en globo que Hess descubrió los rayos cósmicos.

La naturaleza de los rayos cósmicos

Los rayos cósmicos son en su mayoría núcleos atómicos y electrones de alta velocidad. Las velocidades iguales al 90% de la velocidad de la luz son típicas. Casi el 90% de los rayos cósmicos son núcleos de hidrógeno (protones) despojados de su electrón acompañante. El helio y los núcleos más pesados constituyen alrededor de 9% más. Alrededor del 1% de los rayos cósmicos tienen masas iguales a la masa del electrón, y entre el 10 y el 20% de estos llevan carga positiva en lugar de la carga negativa que caracteriza a los electrones. Una partícula cargada positivamente con la masa de un electrón se llama positrón y es una forma de antimateria (discutimos la antimateria en The Sun: A Nuclear Powerhouse).

Las abundancias de diversos núcleos atómicos en los rayos cósmicos reflejan las abundancias en estrellas y gas interestelar, con una excepción importante. Los elementos ligeros litio, berilio y boro son mucho más abundantes en los rayos cósmicos que en el Sol y las estrellas. Estos elementos ligeros se forman cuando los núcleos de alta velocidad de rayos cósmicos de carbono, nitrógeno y oxígeno chocan con protones en el espacio interestelar y se rompen. (Por cierto, si ustedes, como la mayoría de los lectores, no han memorizado todos los elementos y quieren ver cómo encaja alguno de los que mencionamos en la secuencia de elementos, los encontrará todos enumerados en el Apéndice K en orden del número de protones que contienen).

Los rayos cósmicos llegan a la Tierra en cantidades sustanciales, y podemos determinar sus propiedades ya sea capturándolos directamente o observando las reacciones que ocurren cuando chocan con átomos en nuestra atmósfera. La energía total depositada por los rayos cósmicos en la atmósfera de la Tierra es sólo alrededor de la mil millonésima parte de la energía recibida del Sol, pero es comparable a la energía recibida en forma de luz estelar. Algunos de los rayos cósmicos llegan a la Tierra desde la superficie del Sol, pero la mayoría provienen de fuera del sistema solar.

¿De dónde vienen?

Existe un grave problema en la identificación de la fuente de los rayos cósmicos. Dado que la luz viaja en líneas rectas, podemos decir de dónde viene simplemente mirando. Los rayos cósmicos son partículas cargadas, y su dirección de movimiento puede ser cambiada por campos magnéticos. Los caminos de los rayos cósmicos están curvados tanto por campos magnéticos en el espacio interestelar como por el propio campo de la Tierra. Los cálculos muestran que los rayos cósmicos de baja energía pueden espirar muchas veces alrededor de la Tierra antes de ingresar a la atmósfera donde podemos detectarlos. Si un avión rodea un aeropuerto muchas veces antes de aterrizar, es difícil para un observador determinar la dirección desde la que se originó. Entonces, también, después de que un rayo cósmico rodee la Tierra varias veces, es imposible saber dónde comenzó su viaje.

Sin embargo, hay algunas pistas sobre dónde podrían generarse los rayos cósmicos. Sabemos, por ejemplo, que los campos magnéticos en el espacio interestelar son lo suficientemente fuertes como para evitar que todos los rayos cósmicos menos los más energéticos escapen de la Galaxia. Por lo tanto, parece probable que se produzcan en algún lugar dentro de la Galaxia. Las únicas excepciones probables son las que tienen la energía más alta. Tales rayos cósmicos se mueven tan rápidamente que no son influenciados significativamente por los campos magnéticos interestelares, y así, podrían escapar de nuestra Galaxia. Por analogía, también podrían escapar de otras galaxias, por lo que algunos de los rayos cósmicos de mayor energía que detectamos pueden haber sido creados en alguna galaxia distante. Aún así, la mayoría de los rayos cósmicos deben tener su fuente dentro de la Vía Láctea

También podemos estimar hasta qué punto viajan los rayos cósmicos típicos antes de golpear la Tierra. Los elementos ligeros litio, berilio y boro tienen la llave. Dado que estos elementos se forman cuando el carbono, el nitrógeno y el oxígeno golpean protones interestelares, podemos calcular cuánto tiempo, en promedio, los rayos cósmicos deben viajar por el espacio para experimentar suficientes colisiones para dar cuenta de la cantidad de litio y los demás elementos ligeros que contienen. Resulta que la distancia requerida es de aproximadamente 30 veces alrededor de la Galaxia. A velocidades cercanas a la velocidad de la luz, el rayo cósmico promedio tarda quizás entre 3 y 10 millones de años en recorrer esta distancia. Esto es solo una pequeña fracción de la edad de la Galaxia o del universo, por lo que los rayos cósmicos deben haber sido creados recientemente en una escala de tiempo cósmica.

Los mejores candidatos a una fuente de rayos cósmicos son las explosiones de supernova, que marcan las muertes violentas de algunas estrellas (y que discutiremos en La muerte de las estrellas). El material expulsado por la explosión produce una onda de choque, que viaja a través del medio interestelar. Las partículas cargadas pueden quedar atrapadas, rebotando de un lado a otro a través del frente de la onda de choque muchas veces. Con cada paso a través del choque, los campos magnéticos en su interior aceleran cada vez más las partículas. Eventualmente, están viajando cerca de la velocidad de la luz y pueden escapar del choque para convertirse en rayos cósmicos. Algunas estrellas colapsadas (incluidos los restos estelares sobrantes de las explosiones de supernova) pueden, en las circunstancias adecuadas, servir también como aceleradoras de partículas. En cualquier caso, nuevamente encontramos que la materia prima de la Galaxia se enriquece con el ciclo de vida de las estrellas. En la siguiente sección, veremos este proceso de enriquecimiento con más detalle.

Misión del Telescopio Electrón Calorimétrico (CALET)

Puedes ver un breve video sobre la misión del Telescopio Electrón Calorimétrico (CALET), un detector de rayos cósmicos en la Estación Espacial Internacional. El enlace te lleva a “Space Station Live: Cosmic Ray Detector for ISS” de NASA Johnson.

Video\(\PageIndex{1}\): El comentarista de la NASA Pat Ryan conversa con el Dr. John Wefel de la Universidad Estatal de Luisiana sobre el Telescopio Electrón Calorimétrico (CALET), una misión astrofísica que buscará firmas de materia oscura y proporcionará las mediciones directas de energía más altas del espectro de electrones de rayos cósmicos.

Resumen

Los rayos cósmicos son partículas que viajan a través del espacio interestelar a una velocidad típica del 90% de la velocidad de la luz. Los elementos más abundantes en los rayos cósmicos son los núcleos de hidrógeno y helio, pero también se encuentran electrones y positrones. Es probable que muchos rayos cósmicos se produzcan en los choques de supernova.

Glosario

rayos cósmicos: núcleos atómicos (en su mayoría protones) y electrones que se observa que golpean la atmósfera terrestre con energías sumamente altas.