Los rayos cósmicos, extremadamente potentes, están lloviendo sobre nosotros. Nadie sabe de dónde vienen.

Puede que pienses que los mayores y más desconcertantes misterios del universo existen ahí fuera, en el borde de un agujero negro, o dentro de una estrella que explota.

No, los grandes misterios del universo nos rodean, todo el tiempo. Incluso nos impregnan, navegando directamente a través de nuestros cuerpos. Uno de esos misterios son los rayos cósmicos, formados por pequeños trozos de átomos. Estos rayos, que nos atraviesan en este mismo momento, no son perjudiciales para nosotros ni para ninguna otra vida en la superficie de la Tierra.

Pero algunos llevan tanta energía que los físicos están desconcertados sobre qué objeto del universo podría haberlos creado. Muchas son demasiado potentes para haberse originado en nuestro sol. Muchos son demasiado potentes para haber sido originados por la explosión de una estrella. Como los rayos cósmicos no suelen viajar en línea recta, ni siquiera sabemos de qué parte del cielo nocturno proceden.

La respuesta al misterio de los rayos cósmicos podría implicar objetos y fenómenos físicos del universo que nadie ha visto o registrado antes. Y los físicos tienen en marcha varios experimentos enormes en todo el mundo dedicados a descifrar el caso.

Aunque no sabemos de dónde vienen, ni cómo llegan hasta aquí, podemos ver lo que ocurre cuando estos rayos cósmicos golpean la atmósfera de nuestro planeta a casi la velocidad de la luz.

Los rayos cósmicos son mensajeros del universo más amplio; un recordatorio de que somos parte de él, y un recordatorio de que todavía hay mucho misterio ahí fuera. Echemos un vistazo a estas sorprendentes partículas, que llueven sobre la Tierra desde lejos.

Colisión con nuestra atmósfera

Cuando las partículas de los rayos cósmicos chocan con los átomos en la parte superior de la atmósfera, estallan, desgarrando los átomos en una violenta colisión. Las partículas de esa explosión siguen destrozando otros trozos de materia, en una reacción en cadena que se convierte en una bola de nieve. Parte de esta metralla atómica llega incluso al suelo.

Es posible ver esto en acción construyendo lo que se llama una cámara de nubes con un tarro de cristal, fieltro, hielo seco y alcohol isopropílico (es decir.Es decir, alcohol isopropílico). Se sumerge el fieltro en el alcohol y el hielo seco (que es dióxido de carbono sólido superfrío) enfría el vapor de alcohol que desciende del fieltro. Eso crea una nube de vapor de alcohol.

En esta cámara, se pueden ver los rayos cósmicos, particularmente los de una partícula llamada muón. Los muones son como los electrones, pero un poco más pesados. Cada centímetro cuadrado de la Tierra a nivel del mar, incluyendo el espacio en la parte superior de su cabeza, es golpeado por un muón cada minuto.

Al igual que los electrones, los muones llevan una carga negativa. Cuando los muones atraviesan la nube de alcohol, ionizan (cargan) el aire que atraviesan. La carga del aire atrae el vapor de alcohol y éste se condensa en gotas. Y esas gotas trazan el camino que los rayos cósmicos hicieron a través de la cámara.

Cuando vea los caminos que hacen estos muones, piense en esto: Estas partículas subatómicas bajan como un cohete hacia la Tierra a un 98% de la velocidad de la luz.

Se mueven tan rápido que experimentan la dilatación del tiempo predicha por la teoría de la relatividad especial de Einstein. Se supone que se desintegran -es decir, se rompen en componentes más pequeños, electrones y neutrinos- en sólo 2,2 microsegundos, lo que significaría que apenas bajarían 2.000 pies desde la parte superior de la atmósfera antes de morir. Pero como se mueven tan rápido, en relación con nosotros, envejecen 22 veces más lentamente. (Algo similar le ocurrió al personaje de Matthew McConaughey en la película Interstellar, al acelerar su velocidad relativa al acercarse a un agujero negro.)

Si la teoría de Einstein no fuera cierta, no veríamos ningún muón en la cámara de nubes. Por suerte, son inofensivos, ya que se mueven tan rápido que no les da tiempo a dar un golpe de impacto en tu cuerpo. Los científicos pueden hacer cosas geniales con los muones, como usarlos para fotografiar el interior de la Gran Pirámide de Egipto.

Recuerda que estos rayos fueron potencialmente impulsados por fuerzas de más allá de nuestro sistema solar, por fuerzas que ningún físico entiende. Eso es sencillamente impresionante.

«Nuestros colegas físicos teóricos están perplejos» sobre cómo se energizan estas partículas, dice Charles Jui, un físico de la Universidad de Utah a la caza de los rayos cósmicos. «Tampoco podemos averiguar de dónde proceden»

Los rayos cósmicos, explicados

El misterio de los rayos cósmicos comenzó con su descubrimiento en 1912. Fue entonces cuando el físico Victor Hess dio un paseo en un globo aerostático y descubrió que la cantidad de radiación en la atmósfera aumenta cuanto más alto se sube.

Estaba en el globo para aislar su experimento de la radiación. Pero sólo era más ruidoso a mayor altura. Eso le llevó a concluir que la radiación procedía del espacio, y no de la radiactividad de las rocas de la tierra.

También realizó este viaje en globo durante un eclipse solar total. Con la luna bloqueando el sol, la radiación cósmica procedente del sol debería haberse filtrado. Pero aún así registró algunas. Esto le llevó a la conclusión de que la radiación no procedía del sol, sino de las profundidades del espacio. Su descubrimiento de los rayos cósmicos le valió el premio Nobel de Física en 1936.

La partícula de rayos cósmicos de mayor energía jamás registrada, llamada partícula «Oh-My-God», era unos 2 millones de veces más energética que el protón más sofisticado impulsado por el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más potente del mundo.

Esa energía, explica Antonella Castellina, astrofísica italiana del Observatorio Pierre Auger, es similar a la de un profesional del tenis que golpea una pelota con toda su fuerza. Eso no parece mucho. Pero imagina toda esa energía exprimida en un área más pequeña que un átomo: eso es extremo. Es suficiente energía para encender una bombilla durante un segundo o más. «Nadie sabe qué hay en el universo capaz de dar a una partícula subatómica semejante energía», dice.

Más que eso, los científicos están desconcertados de cómo una partícula así puede incluso llegar a la Tierra. Se cree que las partículas con energías tan elevadas interactúan con la radiación sobrante del Big Bang y de la creación del universo, lo que debería ponerles fin antes de que lleguen a nosotros.

Lo que creó la partícula «Oh-My-God» y otros rayos cósmicos igualmente potentes es un completo y desconcertante misterio. (Tal vez piense, ¿por qué llamamos a estas partículas «rayos»? Se trata de una denominación errónea que se mantuvo desde que se descubrieron hace un siglo. También se les llama «astropartículas». Pero los rayos cósmicos suenan mejor, así que nos quedaremos con eso.)

Los rayos cósmicos se descubrieron hace 100 años. Así que puede que pienses: ¿Por qué no podemos averiguar qué es lo que nos dispara estos rayos cósmicos?

Bueno, sabemos que algunos rayos cósmicos provienen del sol. Pero los más fuertes, los más misteriosos, provienen de la gran vía de la galaxia y del universo.

El problema de buscar las fuentes de estos rayos cósmicos de muy alta energía es que los rayos no siempre viajan en línea recta. Los diversos campos magnéticos de la galaxia y el universo los desvían y los colocan en trayectorias torcidas.

Muchos de los rayos cósmicos que llegan a la Tierra -en particular los que provienen de nuestro sol- se desvían hacia los polos debido al campo magnético de la Tierra. Por eso tenemos las auroras boreales y meridionales cerca de los polos.

Hay unos cuantos proyectos enormes en marcha para entender mejor de dónde vienen estos rayos cósmicos. Uno de ellos tiene que ver con un bloque de hielo realmente enorme en el Polo Sur.

Un enorme bloque de hielo en el Polo Sur es un gigantesco detector de rayos cósmicos

En el fondo del mundo no hay mucha vida, salvo para los físicos. Allí, en el polo sur, han construido el Observatorio de Neutrinos IceCube, forjado directamente en el hielo bajo la superficie del polo sur.

Es un bloque de 1 kilómetro cúbico (unos 1.300 millones de yardas cúbicas) de hielo cristalino rodeado de sensores. Estos sensores están preparados para detectar cuando las partículas subatómicas llamadas neutrinos -que viajan junto a otras partículas subatómicas en los rayos cósmicos- se estrellan contra la Tierra.

El funcionamiento no es muy diferente al del experimento de la cámara de nubes que te mostramos arriba. Se trata de rastrear el camino que hace un tipo muy especial de rayo cósmico -llamado neutrino- a través del observatorio.

Los neutrinos se diferencian de los demás componentes de los rayos cósmicos en un aspecto realmente importante: No interactúan en absoluto con otras formas de materia. No tienen carga eléctrica. Eso significa que viajan a través del universo en una línea relativamente recta, y podemos rastrearlos hasta una fuente.

«Si alumbro una linterna a través de una pared, la luz no pasará», me dijo Naoko Kurahashi Neilson, física de partículas de la Universidad de Drexel. «Eso es porque las partículas de luz, los fotones, interactúan con las partículas de la pared y no pueden penetrar. Si tuviera una linterna de neutrinos, esa corriente de neutrinos atravesaría la pared»

Pero de vez en cuando un neutrino -quizás uno de cada 100.000- choca con un átomo en el hielo del observatorio y lo rompe.

Entonces ocurre algo espectacular: La colisión produce otras partículas subatómicas, que son propulsadas a una velocidad superior a la de la luz al atravesar el hielo.

Es posible que hayas oído que nada puede viajar más rápido que la luz. Eso es cierto, pero sólo en el vacío. Los fotones que componen la luz (una partícula subatómica por derecho propio) realmente se ralentizan un poco cuando entran en una sustancia densa como el hielo. Pero otras partículas subatómicas, como los muones y los electrones, no se ralentizan.

Cuando las partículas se mueven más rápido que la luz a través de un medio como el hielo, brillan. Se llama radiación Cherenkov. Y el fenómeno es similar al de un estampido sónico. Cuando las partículas se mueven más rápido que la luz, dejan estelas de una luz azul espeluznante, como las que deja una lancha en el agua. Esta es una representación artística de cómo se ve todo esto. El neutrino es la forma de lágrima en gris.

Otros observatorios que buscan rayos cósmicos son igualmente enormes

El Observatorio Pierre Auger, donde trabaja Castellina, utiliza un conjunto de 1.600 tanques, cada uno de ellos lleno de 3.000 galones de agua. Los tanques están repartidos en más de 1.000 millas cuadradas en Mendoza, Argentina.

Los tanques funcionan como el bloque de hielo del Polo Sur. Pero en lugar de usar hielo para registrar los rayos cósmicos, utilizan agua. Los tanques son completamente negros en su interior. Pero cuando los rayos cósmicos -más que neutrinos- entran en los tanques, provocan pequeñas ráfagas de luz, a través de la radiación Cherenkov, ya que superan la velocidad de la luz en el agua.

Si muchos de los tanques registran una ráfaga de rayos cósmicos al mismo tiempo, los científicos pueden entonces trabajar hacia atrás y calcular la energía de la partícula que impactó en la parte superior de la atmósfera. También pueden hacer una estimación aproximada de la parte del cielo desde la que se disparó la partícula.

En el hemisferio norte, hay un experimento similar en Utah llamado conjunto de telescopios. Al igual que los tanques de América del Sur, el conjunto de Utah tiene una serie de detectores repartidos por un área enorme. En la actualidad, ocupa unas 300 millas cuadradas, pero se está trabajando en una actualización para ampliarla a 1.200 millas cuadradas. (Cuanto mayor sea el área, mayor será la posibilidad de detectar los rayos cósmicos más elusivos y potentes.)

Los detectores de Utah están hechos de plástico acrílico superclaro, y están alojados en unidades que parecen camas de hospital.

Si muchos de los detectores registran un impacto en secuencia (piense que todas las partículas golpean el suelo más o menos al mismo tiempo como si fueran perdigones en un tablero de tiro), «se puede reconstruir la dirección» de la que proceden, dice Jui, el físico de la Universidad de Utah que trabaja en el conjunto.

El observatorio también puede hacer algo genial. En noches muy claras y oscuras en el desierto de Utah, puede ver realmente las débiles estelas de los rayos cósmicos que se iluminan en nuestra atmósfera.

«La idea es que se pueda ver cómo se desarrolla la lluvia de aire en la atmósfera utilizando cámaras ultravioletas», dice Jui. «Se trata de cámaras que están tomando vídeos, a lo largo de unos pocos microsegundos, diez fotogramas por microsegundo , y entonces se puede ver realmente la línea extendida en el cielo, y medir la energía de la misma.»

Puedes ayudar a la búsqueda de los rayos cósmicos

Con suficientes datos sobre estos rayos cósmicos de alta energía, los científicos esperan poder algún día precisar mejor de qué parte del cielo provienen.

El problema es que ahora mismo no tienen suficientes observaciones de los rayos cósmicos más potentes.

Tardará algún tiempo porque los rayos cósmicos más potentes no pasan por los detectores con demasiada frecuencia: Cada kilómetro cuadrado de la Tierra sólo ve una de estas partículas por siglo. Y para tener en cuenta el hecho de que estos rayos no suelen viajar en línea recta, hará falta una montaña de datos.

Pero ya tenemos algunas pistas. El observatorio Pierre Auger tiene algunos datos (aún no concluyentes) de que algunas de estas partículas de alta energía provienen de galaxias con brotes estelares, que son galaxias que están formando estrellas a un ritmo muy rápido. El grupo de Jui ha llegado a la conclusión de que aproximadamente una cuarta parte de los rayos cósmicos más potentes observados proceden de un círculo de aproximadamente un 6% del tamaño del cielo nocturno, cerca de la constelación de la Osa Mayor. Pero se trata de una zona enorme del espacio, y no hay ninguna pista evidente en la región.

Siguen llegando más pistas. El verano pasado, los científicos del observatorio IceCube publicaron interesantes pruebas de que las galaxias llamadas blazares generan algunas de estas partículas de alta energía. Los blazares tienen agujeros negros supermasivos en su centro que desmenuzan la materia en sus partes constituyentes y luego lanzan partículas subatómicas como un cañón láser al espacio.

Aquí hay una representación artística muy, muy poco a escala, que muestra un blazar disparando un haz de rayos cósmicos hacia la Tierra.

Los resultados actuales aún no pueden explicar los rayos cósmicos más potentes detectados hasta ahora. También hay que repetirlos.

También existe la posibilidad de que algunos de los rayos sean producidos por fuerzas y objetos que actualmente desconocemos -o que interactúen con cosas misteriosas como la materia oscura, de formas que aún no entendemos. Podrían ser extraterrestres, pero lo dudo.

Lo que los científicos necesitan son más datos, más observaciones para poder precisar las fuentes en el cielo de las que provienen estas partículas.

Y pronto, podrás participar en la búsqueda. Tu teléfono puede convertirse en un detector de rayos cósmicos. Daniel Whiteson es un físico de la Universidad de California en Irvine que ha estado trabajando en un proyecto de rayos cósmicos de origen colectivo. Se llama Crayfis (Cosmic RAYs Found In Smartphones).

«El número de partículas que están golpeando la atmósfera con energías locas, es realmente grande. Se cuentan por millones», dice Whiteson. Pero observatorios como el Pierre Auger -aunque enormes- no son lo suficientemente grandes como para detectar la mayoría de ellas. «Si pudiéramos construir un telescopio lo suficientemente grande que cubriera enormes franjas de tierra, podríamos recoger muchos datos realmente rápido»

Ahí es donde entran los smartphones. La cámara de tu teléfono funciona porque los fotones -la partícula subatómica que constituye la luz- activan un sensor en la parte posterior de la lente. Los rayos cósmicos también pueden activar el sensor. (De vez en cuando, también, un rayo cósmico puede interferir con un microprocesador y hacer que un ordenador se bloquee.)

«Si pones la cámara de tu teléfono boca abajo, la mayor parte se bloquea, y obtendrías una imagen negra», explica. «Pero las partículas del espacio, pasarán justo a través de tu teléfono, techo o pared, y golpearán el , y dejarán un rastro».»

La esperanza es que millones de usuarios puedan encender la aplicación por la noche mientras duermen, y ésta buscará estos rayos cósmicos. Con un número suficiente de teléfonos, Whiteson espera que él y sus colegas puedan obtener una mejor imagen de la procedencia de los rayos cósmicos. El proyecto aún no está en marcha. Pero puedes inscribirte ahora para convertirte en un probador beta cuando la aplicación esté lista.

Los físicos no van a rendirse pronto. La existencia de los rayos cósmicos de alta energía nos dice que nuestra comprensión del universo es lamentablemente incompleta.

«Se trata de uno de los fenómenos más violentos» del universo, dice Jui. ¿No quieres averiguar qué lo causa?