Radiación cósmica para niños
Los rayos cósmicos, también conocidos como radiación cósmica, son partículas muy pequeñas que viajan a velocidades altísimas y provienen del espacio exterior. Se descubrieron cuando los científicos notaron que el aire de nuestra atmósfera conducía electricidad, lo que indicaba que algo con mucha energía estaba ionizando (cargando eléctricamente) las partículas del aire.
En 1911, un físico austriaco llamado Victor Franz Hess demostró que esta ionización aumentaba a medida que se subía más alto en la atmósfera. Por eso, concluyó que la radiación debía venir de fuera de la Tierra.
El hecho de que la intensidad de esta radiación cambie con la altitud también mostró que estas partículas tienen carga eléctrica. Esto es porque el campo magnético terrestre (como un escudo invisible alrededor de la Tierra) las desvía.
Antes de los experimentos de Hess, otros científicos como Ernest Rutherford pensaban que la ionización se debía solo a la radiactividad natural de la Tierra. Pero las mediciones de Hess y otros demostraron que no era así.
Robert Andrews Millikan fue quien le dio el nombre de rayos cósmicos. Sus estudios confirmaron que estas partículas venían de muy lejos, incluso de fuera de nuestro sistema solar.
Contenido
- Historia del descubrimiento de los rayos cósmicos
- ¿De dónde vienen los rayos cósmicos?
- ¿De qué están hechos los rayos cósmicos que llegan a la Tierra?
- ¿Cuánta radiación cósmica recibimos?
- Cascadas de rayos cósmicos en la atmósfera
- ¿Cómo se detectan los rayos cósmicos?
- Galería de imágenes
- Véase también
Historia del descubrimiento de los rayos cósmicos
Después de que Henri Becquerel descubriera la radiactividad en 1896, se creía que la electricidad en el aire (la ionización) era causada solo por elementos radiactivos en el suelo y los gases que estos producían. Sin embargo, las mediciones de la tasa de ionización (qué tan rápido se ioniza el aire) a diferentes alturas mostraron algo diferente.
Primeros experimentos y observaciones
En 1909, Theodor Wulf creó un instrumento llamado electrómetro para medir la ionización dentro de un recipiente sellado. Wulf lo usó para demostrar que los niveles de radiación ionizante eran mayores en la cima de la Torre Eiffel que en su base. Aunque su trabajo fue importante, no fue muy aceptado al principio.
En 1911, Domenico Pacini notó que la ionización cambiaba al medirla sobre un lago, sobre el mar y a tres metros de profundidad bajo el agua. Al ver que disminuía bajo el agua, Pacini pensó que parte de la ionización venía de fuentes diferentes a la radiactividad de la Tierra.
El vuelo decisivo de Victor Hess
Más tarde, en 1912, Victor Francis Hess llevó tres electrómetros mejorados a una altura de 5300 metros usando un globo aerostático. Descubrió que la tasa de ionización se multiplicaba por cuatro en comparación con la que se medía en el suelo. Hess también descartó que el Sol fuera la única fuente de esta radiación al hacer otro vuelo en globo durante un eclipse de Sol casi total. Aunque la Luna bloqueaba la mayor parte de la luz solar, Hess siguió midiendo un aumento de la ionización con la altura. Concluyó que una radiación con un enorme poder de penetración entraba en nuestra atmósfera desde arriba.
Entre 1913 y 1914, Werner Kolhörster confirmó las observaciones de Hess al medir el aumento de la ionización a 9 kilómetros de altitud.
Por su importante descubrimiento, Hess recibió el Premio Nobel de física en 1936.
Curiosamente, 100 años después del vuelo de Hess, el 7 de agosto de 2012, el vehículo Mars Science Laboratory midió los niveles de radiación ionizante por primera vez en otro planeta, Marte, usando su Detector de Evaluación de Radiación (RAD).
¿De dónde vienen los rayos cósmicos?
El origen exacto de todos los rayos cósmicos aún no se conoce por completo. Sabemos que el Sol emite rayos cósmicos de baja energía durante grandes erupciones solares, pero estos eventos no son lo suficientemente frecuentes como para explicar toda la radiación cósmica.
Supernovas y agujeros negros
Se cree que las grandes explosiones de supernovas (estrellas que explotan al final de su vida) son responsables de acelerar una gran parte de los rayos cósmicos. Los restos de estas explosiones son fuentes potentes de ondas de radio, lo que indica la presencia de partículas de alta energía.
En 2007, científicos argentinos del Observatorio Pierre Auger hicieron un descubrimiento asombroso. Encontraron pruebas de que muchas de las partículas de rayos cósmicos más energéticas provienen de una constelación cercana llamada Centaurus. Esta constelación tiene una galaxia activa con un agujero negro supermasivo en su centro. Cuando la materia cae hacia el agujero negro y gira muy rápido, parte de esa materia, compuesta por protones y neutrones, es expulsada a velocidades enormes.
Cuando estos protones alcanzan la Tierra, chocan con las capas superiores de la atmósfera y crean "cascadas" de nuevas partículas. Este descubrimiento en Centaurus sugiere que otras galaxias con agujeros negros activos también podrían ser fuentes de rayos cósmicos.
También se piensa que las ondas de choque de las supernovas, al expandirse por el espacio interestelar, pueden acelerar aún más estas partículas.
Otros posibles orígenes
Algunos científicos sugieren que las estrellas binarias de rayos X (sistemas donde dos estrellas giran una alrededor de la otra y una de ellas es una estrella de neutrones o un agujero negro) también podrían ser fuentes de rayos cósmicos.
Los estudios de radioastronomía en otras galaxias muestran que también contienen electrones de alta energía. Los centros de algunas galaxias emiten ondas de radio mucho más intensas que nuestra Vía Láctea, lo que indica que tienen fuentes de partículas de alta energía.
¿De qué están hechos los rayos cósmicos que llegan a la Tierra?
Los rayos cósmicos que llegan a la atmósfera superior son principalmente (98%) protones y partículas alfa (núcleos de helio) de alta energía. El resto son electrones y otras partículas pesadas cargadas. A estas se les llama partículas primarias.
Cuando estas partículas cargadas chocan con la atmósfera y el campo magnético de la Tierra, se transforman en partículas secundarias. Estas partículas secundarias se distribuyen de tal manera que la mayor intensidad de las que llegan al suelo se observa en los polos.
La cantidad de partículas que llegan al suelo varía según la altitud (a mayor altura, menos atmósfera para interactuar) y la latitud (a mayor latitud, más partículas son desviadas por el campo magnético). También hay una pequeña variación con el ciclo solar de 11 años.
A nivel del mar, en una latitud de unos 45° Norte, las partículas más comunes que llegan son:
¿Cuánta radiación cósmica recibimos?
La cantidad de radiación que recibimos de los rayos cósmicos varía entre 300 microsieverts (μSv) y 2000 μSv al año. En promedio, la población recibe unos 380 μSv al año.
Ejemplos de dosis de radiación
- La dosis normal de radiación natural en la Tierra es de unos 2.4 mSv (milisieverts) al año, con algunas diferencias entre países. A nivel del mar, los rayos cósmicos contribuyen con aproximadamente 0.3 mSv a esta dosis.
- Las dosis de radiación en una radiografía médica pueden variar desde 0.1 hasta varias decenas de mSv, dependiendo del tipo de radiografía. Estos niveles son más altos, por eso se usan protecciones especiales.
- Durante un vuelo largo, como uno transatlántico (de Europa a América del Norte), la dosis de rayos cósmicos galácticos es de unos 0.05 mSv. Esta dosis puede aumentar si hay eventos solares muy fuertes, pero estos son poco frecuentes y de corta duración. Las personas que viajan mucho o las tripulaciones de aviones pueden acumular dosis de unos pocos mSv a lo largo de los años. Por eso, el personal de las aerolíneas ha pedido controles regulares de la radiación que reciben. Los rayos cósmicos pierden intensidad a medida que se acercan a la superficie terrestre, pero a grandes alturas, su energía es mayor.
Cascadas de rayos cósmicos en la atmósfera
Las "lluvias" o "cascadas" de partículas subatómicas se forman cuando un rayo cósmico primario de muy alta energía choca con los átomos de la atmósfera terrestre. La energía de estos rayos puede ser muchísimo mayor que la que se puede lograr en los aceleradores de partículas más potentes.
Cuando un rayo cósmico choca con los gases de la atmósfera, libera electrones y excita los átomos, generando nuevas partículas. Estas nuevas partículas, a su vez, chocan con otras y provocan una serie de reacciones nucleares que crean aún más partículas, repitiendo el proceso en una "cascada". Así, una sola partícula cósmica puede generar una cascada de más de 100 mil millones de nuevas partículas. Estas partículas de las cascadas se pueden medir con diferentes tipos de detectores de partículas.
¿Cómo se detectan los rayos cósmicos?
Existen dos formas principales de detectar los rayos cósmicos. La primera es la detección directa de las partículas primarias en el espacio o a gran altura, usando instrumentos en globos o satélites. La segunda es la detección indirecta de las partículas secundarias que forman las cascadas en la atmósfera.
Aunque la detección directa es más precisa, el número de rayos cósmicos disminuye a medida que su energía es mayor, lo que hace difícil detectarlos directamente cuando son muy energéticos.
Detección directa de rayos cósmicos
La detección directa se realiza con detectores de partículas en la Estación Espacial Internacional (EEI), en satélites o en globos de gran altitud. Sin embargo, el peso y el tamaño de estos detectores están limitados.
Un ejemplo de técnica de detección directa es un método que usa láminas de plástico transparente. Estas láminas se apilan y se exponen a los rayos cósmicos. La carga de las partículas cósmicas rompe enlaces químicos en el plástico. Luego, las láminas se disuelven lentamente en una solución especial. La solución disuelve el plástico más rápido a lo largo del camino donde las partículas cósmicas ionizaron el material, creando pequeños conos. Estos conos se miden con un microscopio de alta potencia para identificar la carga y la energía del rayo cósmico.
Detección indirecta de rayos cósmicos
Los métodos de detección indirecta se usan en tierra y se dividen en dos categorías: detectar las partículas secundarias de las cascadas de aire o detectar la radiación electromagnética que emiten estas cascadas.
- Detectores de partículas: Grandes conjuntos de detectores de partículas miden las partículas cargadas que los atraviesan. Estos detectores pueden cubrir una gran área y funcionar la mayor parte del tiempo. Muchos usan centelleadores de plástico o agua (líquida o congelada) que producen radiación Cherenkov cuando las partículas pasan a través de ellos. Al combinar varios detectores, se puede distinguir entre diferentes tipos de partículas secundarias, como los muones, y así estimar la composición de los rayos cósmicos primarios.
- Cámaras de niebla: Un método histórico que todavía se usa para demostraciones es la cámara de niebla, que detecta los muones secundarios. Las cámaras de niebla son relativamente fáciles de construir, incluso en un laboratorio escolar. También se pueden usar cámara de burbujas para detectar partículas de rayos cósmicos.
- Teléfonos inteligentes: Más recientemente, se ha propuesto usar las cámaras de los teléfonos inteligentes para crear una red distribuida que detecte las cascadas de rayos cósmicos de ultra alta energía. El experimento CRAYFIS (Cosmic RAYs Found in Smartphones) y la colaboración CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory) han lanzado aplicaciones para esto.
- Telescopios Cherenkov de aire: Estos telescopios detectan rayos cósmicos de baja energía analizando su radiación Cherenkov. Esta radiación son rayos gamma emitidos cuando las partículas viajan más rápido que la velocidad de la luz en la atmósfera. Son muy buenos para distinguir la radiación de fondo, pero solo funcionan en noches claras y sin Luna.
- Luz de fluorescencia: Otro método detecta la luz de fluorescencia del nitrógeno, causada por la excitación del nitrógeno en la atmósfera por las partículas en movimiento. Este método es muy preciso para los rayos cósmicos de muy alta energía, especialmente cuando se combina con detectores de partículas. Al igual que la detección de luz Cherenkov, este método también requiere noches claras.
- Ondas de radio: Un método más reciente detecta las ondas de radio emitidas por las cascadas de aire. Esta técnica ha mejorado mucho y podría convertirse en una alternativa a la detección de luz Cherenkov y fluorescencia, al menos para energías altas.
Galería de imágenes
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Simulación del impacto de una partícula de 1 TeV (1012 eV) proveniente del espacio exterior, y de la radiación cósmica consecuente, sobre Chicago.
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Representación de los distintos detectores de rayos cósmicos.
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El conjunto de telescopios Cherenkov de aire VERITAS
Véase también
En inglés: Cosmic ray Facts for Kids
