Los "Rayos Cósmicos" podrían estar relacionados con las extinciones masivas de seres vivos, en este planeta.

Los rayos cósmicos, también conocidos como radiación cósmica, son partículas subatomicas, procedentes  del "Espacio Exterior". esto es, de las regiones relativamente vacías del Universo fuera de las atmósferas de los cuerpos celestes, cuya energía es muy elevada debido a su gran velocidad. Se descubrieron cuando se comprobó que la "conductividad eléctrica" contenida en la atmósfera terrestre se debe a la "ionización" causada por radiaciones de alta energía.

Así lo explicó la astrofísica Magdalena González Sánchez, investigadora en el Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), especialista en rayos gamma de alta energía, en su conferencia “Rayos cósmicos, mensajeros del Universo”, impartida dentro del ciclo "Noticias del Cosmos", organizado por el Colegio Nacional: "Los rayos cósmicos son relevantes para nuestro planeta porque producen las auroras boreales y australes, además de que podrían estar involucrados en la producción de nubes e, incluso, algunos especialistas afirman que es posible que se encuentren relacionados con las extinciones masivas de seres vivos sobre la Tierra. Tendrían efectos sobre el clima, la formación de nubes y el origen de relámpagos". Aunque también, incluso, podrían haber participado, de alguna forma, en establecer el inicio de la vida.

En las laderas del volcán Sierra Negra en Puebla, a unos 4 mil metros sobre el nivel del mar, se localiza el observatorio Cherenkov, el cual, en lugar de antenas, tiene una matriz de tanques de agua.

Fotografía del  Conahcyt.

Y detalló: "Como cualquier partícula que proviene del Universo, los rayos cósmicos impactan en la atmósfera terrestre, “están compuestos 86 por ciento por hidrógeno, 12 por elementos más pesados como el helio, y 2 por neutrones, neutrinos y rayos gamma".

Su descubrimiento data de 1900, cuando Theodor Wulf (1868 - 1946), físico egresado de la Universidad de Gotinga, en Alemania, se dio cuenta de que su electroscopio, un instrumento utilizado para detectar la presencia y la magnitud de cargas eléctricas en un objeto, se descargaba lentamente, incluso cuando estaba bien aislado, lo que sugería la presencia de una radiación ionizante desconocida. En el año 1910 comparó la radiación en la parte inferior y en la parte superior de la "Torre Eiffel", encontrando que la ionización cayó de seis a tres punto cinco iones por centímetro cúbico, cuando ascendió a 330 metros de altura. Y concluyo que, si la ionización se debiera a los "rayos gamma" originados en la superficie de la Tierra, la intensidad de iones tendría que haberse reducido tan solo a la mitad a los ochenta metros de altura. Por tanto la energía de los rayos detectada por su dispositivo provenía de fuera de la atmósfera: esta radiación eran los "rayos cósmicos". Publicó un artículo en Physikalische Zeitschrift detallando los resultados de sus cuatro días de observación, pero,. sus resultados no fueron aceptados inicialmente.

Después, el físico Victor Hess (1883 - 1964), realizó una serie de experimentos utilizando globos aerostáticos para medir la radiación a diferentes altitudes, y descubrió que la tasa de ionización aumentaba significativamente con la altura, lo que indicó que la radiación tenía un origen extraterrestre. En 1936, Hess recibió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de los "rayos cósmicos".

A partir de ahí, continuó la especialista, los estudios en torno a esta energía continuaron y se profundizaron los años siguientes con Jacob Clay (1882 - 1955), quien hizo mediciones del Ecuador hacia el Polo Norte y descubrió que el campo magnético terrestre influía sobre éstos. Después, Bruno Rossi (1905 - 1993), mostró que no llegan uniformemente desde todas las direcciones, e identificó cómo interactúan con la atmósfera terrestre, produciendo cascadas de partículas secundarias. El primero intuyó que la composición de esos rayos eran partículas cargadas eléctricamente. 

La doctora González Sánchez, quien es iniciadora y colaboradora del Observatorio de Rayos gamma "High Altitude Water Cherenkov" (HAWC), ubicado en el volcán Sierra Negra en Puebla, consideró que plantear la pregunta ¿dónde se originan los rayos cósmicos?, es lo mismo que decir: ¿dónde se originan los elementos que constituyen la materia ordinaria: la observamos y de la cual estamos hechos, con la que interactuamos?

Esta energía se origina de las explosiones de supernovas, los agujeros negros y eventos solares, lo cual hace que contengan elementos pesados como: hierro, níquel, cromo, manganeso y cobalto. Después, con su interacción con el medio interestelar, producen elementos secundarios, como litio, berilio y boro.

La doctora en física por la Universidad de Wisconsin mencionó que la importancia de estudiar los rayos cósmicos tiene implicaciones científicas, tecnológicas y prácticas en diversas áreas.

Es por ello que en el caso de la tecnología, se estima que los detectores de estas partículas han llevado al desarrollo de técnicas avanzadas para la monitorización de radiación y la detección de partículas. En el ámbito científico se promueven colaboraciones internacionales y multidisciplinarias, uniendo a científicos de diversas áreas como la astrofísica, la física, la ingeniería y la meteorología.

Ilustración sobre el proceso de transportación de los rayos cósmicos.

Tomada de Xataka Ciencia.

En México, el estudio de los rayos cósmicos se realiza desde el "Telescopio HAWC", que se localiza a cuatro mil metros sobre el nivel del mar. Su infraestructura está diseñada para detectar la "Radiación Cherenkov", producida por las cascadas de partículas secundarias generadas cuando los rayos cósmicos y los gamma interactúan con la atmósfera terrestre.

En lugar de antenas, tiene una matriz de tanques de agua distribuidos en un área de aproximadamente veintidós mil metros cuadrados. Dentro de cada tanque, se instalan uno o varios fotomultiplicadores en la parte inferior. Estos dispositivos son sensibles a la "luz Cherenkov" y convierten los fotones detectados en señales eléctricas; así los científicos monitorean los rayos cósmicos y los gamma con las energías más altas.

Concluyó González Sánchez: "El Telescopio HAWC, es uno de los instrumentos más importantes que tenemos para continuar con el estudio de estas partículas. Entre sus aportaciones destacan el mapeado de extensas regiones del cielo en busca de fuentes de rayos gamma de alta energía, pero también ha identificado y caracterizado varias fuentes galácticas y extragalácticas de rayos gamma y contribuido al estudio de agujeros negros supermasivos, nú- cleos galácticos activos y pulsares”.

Ahora bien, la "Radiación Cherenkov" es de tipo electromagnético, y es producida por el paso de partículas cargadas eléctricamente en un determinado medio a velocidades superiores a la velocidad de fase de la luz en ese medio. La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo en el "vacío". El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede superarse, pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. La radiación recibe su nombre del físico ruso  Pável Cherenkov (1904 - 1990) quien fue el primero en caracterizarla rigurosamente y explicar su producción, recibió por ello el premio Nobel de Física en 1958.

Esta es una "onda de choque" que provoca un brillo de color azul, el característico de los reactores nucleares, el medio de tránsito debe estar formado por átomos o moléculas capaces de verse afectados por un campo eléctrico. Por tanto, un protón viajando a través de un medio hecho de neutrones, por ejemplo, no emitiría Radiación Cherenkov.

Los rayos cósmicos, compuestos principalmente por partículas cargadas, al interactuar sobre los átomos y moléculas de la atmósfera terrestre, esto es, el medio, producen otras partículas, las cuales producen más partículas, y éstas producen más, creándose una verdadera cascada de partículas, de la cuales, muchas de ellas están cargadas eléctricamente. Cada una de estas partículas polariza asimétricamente las moléculas de nitrógeno  (78%) y oxígeno, (21%) que son componentes principales de la atmósfera terrestre, con las que se encuentra a su paso, las cuales, al despolarizarse espontáneamente, emiten radiación Cherenkov. Es decir; son las moléculas de la atmósfera  las que emiten la radiación, no la partícula incidente.

La característica composición del aire permite que las longitudes de onda azules sean más visibles que las de otros colores, lo cual da un color azulado a la atmósfera terrestre desde el espacio

 En el trasfondo se puede apreciar nuestro satélite natural ligeramente distorsionado por el aire.

Fotografía de la NASA. (spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle)

La afectación a los seres vivos es baja en las condiciones imperantes en la superficie del planeta, en seres humanos, la dosis normal debida a la radiactividad ambiente en la Tierra es de media 2.4 microsSieverts (mSv) por año, con diferencias apreciables entre países. A nivel del mar la contribución de los rayos cósmicos es de aproximadamente 0.3 (mSv).  Los rayos cósmicos van perdiendo intensidad a medida que se acercan a la superficie terrestre, debido a se van desintegrando en partículas más débiles, pero a grandes alturas, son peligrosos.

Sin embargo es importante considerar que la atmósfera terrestre ha venido modificando sus condiciones en el transcurso de los aproximadamente cuatro mil quinientos millones de años.Pero nos centraremos en la etapa microbiológica, en ella, se inició la formación del elemento Oxígeno, en los océanos; esto permitió la oxidación de las sustancias reducidas del océano y de la corteza terrestre. Prueba de ello son la deposición de las formaciones de hierro en bandas o capas: y una vez oxidadas las sustancias, empezó la acumulación del Oxígeno en la atmósfera. Lo anterior dio paso a la aparición de organismos más bien adaptados, como las "eucariotas", con mecanismos de fotosíntesis eficientes y con ello el incremento del elemento oxígeno, hasta alcanzar los niveles requeridos por la vida macroscópica; y finalmente la formación de la capa de Ozono, que sirvió de protección de la radiación ultravioleta del Sol, y permitió la colonización, por parte de los seres vivos, de las tierras emergidas.

Y se teoriza que las condiciones climáticas, cambiaron de forma tal, que redujeron la vida en diversas ocasiones, propiciando con ello la evolución de los organismos, hasta llegar a la etapa que no ha tocado vivir.

Ahora, esta información es tomada en cuenta para tomar previsiones que enriquezcan la protección de los viajeros espaciales humanos, al dejar la protección que brinda la Tierra, situación que ya es considerada en la planeación de los viajes espaciales.

Entonces se puede afirmar que, el encuentro de la interacción de los rayos cósmicos, confirma que existen una gran variedad de factores que intervienen en la gestación de la vida, de su mantenimiento, e incluso en las épocas de extinciones masivas. Lo que genera un enorme reto para la ciencia, en su intento de encontrar respuesta a las preguntas que hoy día aún no tienen solución.