Rayos cósmicos: la lluvia invisible de partículas que llega del espacio
Ahora mismo, mientras lee esta frase, varios muones acaban de atravesar su cuerpo. Son el eco de colisiones ocurridas a 15 o 20 kilómetros sobre su cabeza, donde partículas llegadas del espacio profundo chocan contra la atmósfera a velocidades cercanas a la de la luz. Ese bombardeo constante es la radiación cósmica, y lleva golpeando la Tierra desde antes de que existiera la vida. Esta página explica qué son los rayos cósmicos, cómo se descubrieron desde la barquilla de un globo, qué ocurre cuando impactan contra el aire, hasta dónde llega su energía y por qué importan: desde la datación por carbono-14 hasta los fallos aleatorios en la electrónica.
¿Qué son los rayos cósmicos?
A pesar del nombre, los rayos cósmicos no son rayos: son partículas. En concreto, núcleos atómicos y partículas subatómicas acelerados hasta energías enormes que viajan por el espacio casi a la velocidad de la luz. Alrededor del 90 % son protones (núcleos de hidrógeno), un 9 % son núcleos de helio y el resto se reparte entre núcleos más pesados —hasta el hierro— y electrones. El término lo acuñó Robert Millikan en los años veinte, cuando aún se pensaba que se trataba de radiación electromagnética, y el nombre se quedó.
El flujo es incesante: sobre la parte alta de la atmósfera llegan del orden de mil partículas por metro cuadrado cada segundo en el rango de energías más habitual. La mayoría procede de nuestra propia galaxia, aunque las más energéticas parecen venir de mucho más lejos. A diferencia de los neutrinos —partículas sin carga que atraviesan la materia casi sin inmutarse, como explicamos en qué es un neutrino—, los rayos cósmicos tienen carga eléctrica e interactúan con violencia en cuanto encuentran algo en su camino.
El descubrimiento: Victor Hess y los vuelos en globo de 1912
A principios del siglo XX, los físicos tenían un problema: sus electroscopios se descargaban solos, incluso dentro de cámaras blindadas. La sospecha era que la radiactividad natural del suelo ionizaba el aire. Si era así, la ionización debía disminuir con la altura.
El austríaco Victor Hess decidió comprobarlo de la manera más directa posible: subiéndose a un globo. El 7 de agosto de 1912 ascendió hasta 5.300 metros con sus instrumentos a bordo y midió justo lo contrario de lo esperado: a partir de cierta altura, la ionización aumentaba, hasta multiplicar varias veces el valor medido en tierra. La radiación no venía del suelo, sino de arriba. Hess incluso voló durante un eclipse parcial de sol para descartar que la fuente fuera nuestra estrella. Aquellas medidas le valieron el Premio Nobel de Física de 1936 y abrieron un campo entero: durante décadas, los rayos cósmicos fueron el único laboratorio de altas energías disponible, y en sus cascadas se descubrieron el positrón, el muón y el pión.
Cascadas atmosféricas: muones y neutrinos cayendo del cielo
¿Qué ocurre cuando un rayo cósmico llega a la Tierra? A unos 15-20 kilómetros de altura, el protón primario choca contra el núcleo de un átomo de nitrógeno u oxígeno y lo hace añicos. La colisión produce piones y otras partículas que, a su vez, se desintegran o vuelven a colisionar. El resultado es una cascada atmosférica: una avalancha de partículas secundarias que, en el caso de un primario muy energético, puede contener miles de millones de partículas y cubrir varios kilómetros cuadrados al llegar al suelo.
Dos productos de esas cascadas merecen atención especial. Los muones —una especie de electrón pesado— son tan penetrantes que llegan hasta el nivel del mar: aproximadamente uno atraviesa cada centímetro cuadrado de su cuerpo cada minuto. Que lleguen es, de hecho, una confirmación cotidiana de la relatividad: un muón vive solo 2,2 microsegundos, insuficiente para recorrer 15 kilómetros… salvo que viaje tan rápido que su tiempo se dilate.
El segundo producto son los neutrinos atmosféricos. Al estudiarlos, el detector japonés Super-Kamiokande —un tanque de 50.000 toneladas de agua que capta destellos de radiación de Cherenkov— descubrió en 1998 que los neutrinos oscilan entre tipos, lo que implica que tienen masa. Ese hallazgo, explicado en cómo se detectan los neutrinos, recibió el Premio Nobel de Física de 2015.
El espectro de energía de los rayos cósmicos: hasta la partícula «Oh-My-God»
La energía de los rayos cósmicos abarca más de once órdenes de magnitud, desde unos 10⁹ eV hasta más de 10²⁰ eV. Cuanto mayor es la energía, más raros son: los de energías moderadas llegan a miles por metro cuadrado y segundo, mientras que por encima de 10²⁰ eV cae aproximadamente una partícula por kilómetro cuadrado… cada siglo.
El récord absoluto se registró el 15 de octubre de 1991, cuando el detector Fly's Eye, en Utah, captó la cascada de una partícula de unos 3×10²⁰ eV, bautizada informalmente como la partícula «Oh-My-God». Son unos 48 julios: la energía cinética de una pelota de tenis a unos 150 km/h, concentrada en un único protón. Para ponerlo en perspectiva, es decenas de millones de veces la energía que alcanza un protón en el LHC, el mayor acelerador construido por el ser humano. Ningún mecanismo conocido en nuestra galaxia puede acelerar una partícula hasta ese extremo, y ahí empieza el misterio.
¿De dónde procede la radiación cósmica?
Para la mayor parte de la radiación cósmica, la respuesta apunta a los restos de supernova: las ondas de choque de las explosiones estelares actúan como aceleradores naturales capaces de empujar protones hasta unos 10¹⁵ eV, rebotándolos una y otra vez a través del frente de choque. Hay un problema práctico para confirmarlo: como los rayos cósmicos tienen carga, los campos magnéticos de la galaxia curvan y enredan sus trayectorias, de modo que su dirección de llegada no señala a la fuente.
Para las energías más extremas, las pistas apuntan fuera de la Vía Láctea. En 2017, el Observatorio Pierre Auger, en Argentina, midió una asimetría en las direcciones de llegada de los rayos cósmicos ultraenergéticos que encaja con un origen extragaláctico. Los candidatos favoritos son los núcleos galácticos activos —agujeros negros supermasivos devorando materia— y las galaxias con brotes intensos de formación estelar. También en septiembre de 2017, el detector IceCube captó un neutrino de alta energía cuya dirección coincidía con el blázar TXS 0506+056; la asociación, publicada en 2018, es una de las primeras pruebas directas de que estos monstruos cósmicos aceleran partículas. Aun así, el origen exacto de los rayos cósmicos más energéticos sigue siendo una pregunta abierta de la física actual.
Rayos cósmicos en la vida cotidiana: aviones, chips y carbono-14
Los rayos cósmicos no son solo un asunto de observatorios remotos: dejan huellas medibles en la vida cotidiana.
- Aviación: a 10-12 km de altitud hay mucha menos atmósfera protectora, así que la dosis de radiación se multiplica. Un vuelo transatlántico supone unos 0,05 mSv adicionales; las tripulaciones acumulan del orden de 2-5 mSv al año y en la Unión Europea están clasificadas como personal expuesto a radiación por motivos profesionales.
- Electrónica: cuando un neutrón secundario impacta en un chip de memoria puede cambiar un bit de 0 a 1, un «bit flip» o single-event upset. En unas elecciones celebradas en Bélgica en 2003, un recuento electrónico atribuyó 4.096 votos de más a una candidata; nunca se demostró la causa, pero el error es compatible con un solo bit alterado. Por eso los satélites, los aviones y los centros de datos usan memorias con corrección de errores y electrónica endurecida.
- Carbono-14: los neutrones de las cascadas atmosféricas convierten nitrógeno-14 en carbono-14 radiactivo, que los seres vivos incorporan mientras respiran y se alimentan. Ese reloj natural es la base de la datación por radiocarbono, fiable hasta unos 50.000 años atrás.
- Muografía: los muones cósmicos atraviesan la roca, y midiendo cuántos se absorben se puede «radiografiar» el interior de estructuras enormes. Así se descubrió en 2017 una gran cavidad oculta en la pirámide de Keops.
Del flujo ambiental a la investigación neutrinovoltaica
Los rayos cósmicos demuestran algo fácil de olvidar: la Tierra está inmersa, día y noche, en un flujo permanente de partículas y radiación. Parte de ese flujo son los neutrinos atmosféricos generados en las cascadas; a ellos se suman los aproximadamente 60.000 millones de neutrinos solares que atraviesan cada centímetro cuadrado de nuestro cuerpo cada segundo, además de radiación térmica y campos electromagnéticos de origen natural y artificial.
Estudiar si una fracción de ese flujo ambiental puede convertirse en corriente eléctrica es el objeto de la investigación neutrinovoltaica que desarrolla en Berlín el Neutrino Energy Group, una organización de investigación fundada en 2008 por Holger Thorsten Schubart. Su enfoque se basa en un material multicapa de grafeno y silicio patentado (WO2016142056A1) —el grafeno y sus propiedades se explican en qué es el grafeno— y se apoya en resultados científicos verificables: el Nobel de 2015 que confirmó que los neutrinos tienen masa, el experimento COHERENT de 2017, que midió por primera vez la transferencia de momento de neutrinos a núcleos atómicos, y los trabajos de Paul Thibado de 2020 sobre la conversión del movimiento térmico de láminas de grafeno en pequeñas corrientes eléctricas.
Conviene ser claros con las magnitudes: la captación de energía ambiental (energy harvesting) trabaja hoy en escalas de microvatios a milivatios, órdenes de magnitud por debajo de una placa solar, y la tecnología neutrinovoltaica es un programa de investigación en desarrollo, no un producto a la venta. Su contexto dentro del panorama energético se analiza en qué es la tecnología neutrinovoltaica y en nuevas tecnologías energéticas.
Preguntas frecuentes
¿Qué son los rayos cósmicos, en pocas palabras?
Son partículas —sobre todo protones y núcleos de helio— aceleradas hasta energías enormes en fuentes astrofísicas como restos de supernova, que viajan por el espacio casi a la velocidad de la luz y bombardean constantemente la atmósfera terrestre.
¿Son peligrosos los rayos cósmicos para las personas?
A nivel del mar, no: la atmósfera y el campo magnético terrestre absorben casi todo el impacto, y la radiación cósmica aporta solo unos 0,3-0,4 mSv de la dosis natural anual. La exposición aumenta con la altitud, por lo que las tripulaciones aéreas se consideran personal profesionalmente expuesto.
¿Por qué los muones llegan al suelo si solo viven 2,2 microsegundos?
Por la relatividad especial. A velocidades cercanas a la de la luz, el tiempo del muón transcurre más despacio visto desde la Tierra, así que le da tiempo a recorrer los 15 kilómetros que separan su punto de creación del nivel del mar. Al nivel del mar pasa aproximadamente un muón por centímetro cuadrado cada minuto.
¿Qué fue la partícula «Oh-My-God»?
El rayo cósmico más energético jamás registrado: una partícula de unos 3×10²⁰ eV detectada el 15 de octubre de 1991 por el experimento Fly's Eye, en Utah. Llevaba la energía de una pelota de tenis a unos 150 km/h concentrada en un solo protón, muy por encima de lo que puede explicar cualquier acelerador natural conocido de nuestra galaxia.
¿Qué diferencia hay entre rayos cósmicos y neutrinos?
Los rayos cósmicos son partículas con carga eléctrica que interactúan con la materia y son desviadas por campos magnéticos. Los neutrinos no tienen carga y apenas interactúan: atraviesan planetas enteros sin dejar rastro. Están relacionados, eso sí: las cascadas que los rayos cósmicos provocan en la atmósfera producen los llamados neutrinos atmosféricos.
¿Se puede generar electricidad a partir de los rayos cósmicos?
No existe ningún producto comercial que lo haga. La conversión del flujo ambiental —neutrinos, radiación térmica, campos electromagnéticos— en corriente es objeto de investigación, por ejemplo en la tecnología neutrinovoltaica del Neutrino Energy Group. Las tecnologías de captación de energía ambiental operan hoy en escalas de microvatios a milivatios.
