Rayos Cósmicos

El Universo es el laboratorio más extraordinario con el que contamos. ¿Sabías que ahí afuera hay aceleradores de partículas mucho más potentes que el LHC de Ginebra? Esos monstruos siderales aceleran partículas que bombardean la Tierra con enormes energías. Por suerte, la atmósfera nos protege de ser un blanco perfecto… Al menos de casi todas las partículas. Esas partículas aceleradas que llegan a la Tierra son los Rayos Cósmicos, pero ¿Cómo sabemos que existen? ¿Podemos verlos?

El viaje en globo 

Victor Hess fue el primero en dar con su existencia, pero como tantas cosas en ciencia, todo fue por pura casualidad. A principios del siglo XX se pensaba que la ionización del aire se debía a la radiactividad del propio suelo terrestre. Es decir, que el aire estaba cargado eléctricamente debido a que pequeñas partículas radiadas por las rocas, separaban electrones de sus núcleos atómicos. Hess quiso comprobar si esto era cierto, y para ello emprendió varios viajes en globo para medir cómo cambiaba la ionización del aire con la altura. Si la hipótesis de la Tierra radiactiva era cierta, según se alejaba del suelo la carga del aire debía disminuir. Sin embargo el resultado fue el contrario, dando a entender que las partículas capaces de ionizar los átomos del aire eran de origen ajeno a la Tierra. ¿De dónde vendrían?

Una posible explicación es que estas partículas fueran emitidas por el Sol, así que Hess repitió su hazaña en un día de eclipse total. Al estar interpuesta la Luna entre el Sol y la Tierra, esas partículas debían estar apantalladas y no serían capaces de ionizar el aire. Pero una vez más la realidad fue más complicada de explicar. La ionización de la atmósfera no había cambiado con respecto a la de un día soleado, lo que demostraba que muchas de esas partículas no son provenientes del Sol. A día de hoy sigue siendo un gran misterio el origen del que proceden los Rayos Cósmicos. Afortunadamente la astrofísica de partículas cuenta con algún que otro ‘as en la manga’ para tratar de dar respuesta a todas las preguntas que surgen.

Fuegos artificiales atmosféricos

Los Rayos Cósmicos son partículas con carga eléctrica. Esto hace que sea imposible trazar el camino que han seguido hasta llegar a la Tierra, ya que los campos magnéticos desvían su dirección. Menos mal que los mismos monstruos que aceleran los Rayos Cósmicos producen un tipo de luz que tan solo se crea en los entornos más violentos del Universo: los Rayos Gamma. Estos fotones son los más energéticos de todo el espectro electromagnético. La ventaja que nos brindan es que al ser fotones no tienen carga y por tanto, desde que se emite hasta que nos llega, el fotón sigue una línea recta. Si somos capaces de saber de qué punto del cielo llegan, encontraremos estos aceleradores de partículas y así podremos estudiarlos.

Dirección Rayos Cósmicos y Gamma

Los Rayos Cósmicos sufren desvíos durante su recorrido, mientras que los Gamma viajan en línea recta.

Muy bien, ya tenemos lo que queremos observar: los Rayos Gamma. Pero como ya sabemos, nuestro ojo tan solo ve una pequeña fracción de todo el espectro electromagnético, y desde luego los Rayos Gamma no están en esa ventana… Pero ese no es el único problema. La atmósfera funciona como un gran paraguas impidiendo que nos llegue esa radiación. 

Al chocar un Rayo Gamma con las moléculas de la atmósfera terrestre se desintegra en electrones y positrones. Estas partículas a su vez, emiten otro fotón que vuelve a interaccionar con la atmósfera y así sucesivamente. Esta lluvia de partículas es conocida como cascada atmosférica. Lo emocionante es que cuando estas partículas cargadas tienen una velocidad mayor que la de la luz en la atmósfera, emiten un destello azulado. Seguro que ahora piensas que se nos ha ido la olla porque el mismísimo Einstein dijo que ‘Nada viaja más rápido que la luz’. Bueno, eso es verdad pero falta un matiz: ‘Nada viaja más rápido que la luz en el vacío’. Y es que, la luz va más lenta si se encuentra en un medio como el agua, el vidrio o incluso el aire. En este caso, en que los electrones superan la velocidad de la luz en la atmósfera, se produce un efecto equivalente al de la ruptura de la barrera del sonido por un avión. El Efecto Cherenkov, y la luz azulada es la radiación Cherenkov.

Nuestro viaje se complica cuando, en realidad, este mismo efecto Cherenkov también sucede con los dichosos Rayos Cósmicos. Su funcionamiento es un pelín distinto pero el resultado es el mismo. Se forma una cascada atmosférica que crea un gigantesco zoo de partículas: Kaones, piones, muones… Y finalmente electrones y positrones que son los encargados de generar los destellos azules.

Cascadas atmosféricas

Cascadas atmosféricas originadas por un Rayo Cósmico y un Gamma. Los electrones y positrones radian luz Cherenkov al superar la velocidad de la luz.

En resumen, vamos a obtener una información muy valiosa de los grandes objetos del cosmos a través de la luz Cherenkov emitida por Rayos Gamma, pero va a estar contaminada por los Rayos Cósmicos… Que además llegan en mucha mayor cantidad. El siguiente paso del camino será intentar localizar los datos que nos interesan. 

Machine Learning: Rayo Cósmico o Gamma

La palabra ‘Machine learning’ puede ser capaz de infundir miedo a cualquiera, y más aún su traducción al castellano: aprendizaje automático. ¿Qué es esto? Simplemente es una herramienta para trabajar, igual que un carpintero con su martillo. Con esta nueva herramienta podemos hacer infinidad de tareas: reconocer el spam de nuestro correo, realizar diagnósticos en medicina o simplemente ¡diferenciar un perro de una fregona! Hay que reconocer que a simple vista no es tan sencillo.

Esta herramienta funciona de una forma particular. Primero le damos de comer imágenes de una fregona diciéndole que efectivamente es una fregona desgranando todas sus características, y lo mismo hacemos con un perro. Una vez que ha ‘aprendido’ lo que es cada cosa, es capaz de analizar una imagen y decirnos qué es más probable que sea: perro o fregona. Te estarás preguntando qué tiene que ver esto con los Rayos Cósmicos y Gamma: más de lo que te puedas imaginar. 

La luz Cherenkov emitida se captura por telescopios formando imágenes como las que mostramos debajo. Algunas de las imágenes de cascadas producidas por un Gamma y por un Cósmico se parecen mucho entre sí. Esto unido a la gran cantidad de ellas hace que su identificación sea una tarea inhumana, solo apta para el ‘Machine Learning’. 

Una vez que hemos aplicado nuestra herramienta a las imágenes recogidas, lo tendremos todo para comenzar a desentrañar los misterios que nos proponga el Universo sobre los aceleradores cósmicos: Púlsares, Agujeros Negros… Nos queda todo por descubrir, esta es solo la punta del iceberg.

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Esta entrada tiene un comentario

  1. sfrias

    La palabra de elogio creo que es: sublime!

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