Los rayos cósmicos proporcionan una de nuestras pocas muestras directas de materia procedente del exterior del sistema solar. Son partículas de alta energía que se mueven a través del espacio casi a la velocidad de la luz. La mayoría de los rayos cósmicos son núcleos atómicos desprovistos de sus átomos, siendo los protones (núcleos de hidrógeno) el tipo más abundante, pero se han medido núcleos de elementos tan pesados como el plomo. Sin embargo, dentro de los rayos cósmicos también encontramos otras partículas subatómicas como neutrones, electrones y neutrinos.
Dado que los rayos cósmicos son protones o núcleos cargados positivamente, o electrones cargados negativamente, sus trayectorias a través del espacio pueden ser desviadas por campos magnéticos (excepto los rayos cósmicos de mayor energía). En su viaje a la Tierra, los campos magnéticos de la galaxia, el sistema solar y la Tierra desvían tanto sus trayectorias de vuelo que ya no podemos saber exactamente de dónde proceden. Eso significa que tenemos que determinar de dónde vienen los rayos cósmicos por medios indirectos.
Debido a que los rayos cósmicos llevan carga eléctrica, su dirección cambia a medida que viajan a través de los campos magnéticos. En el momento en que las partículas llegan a nosotros, sus trayectorias están completamente desordenadas, como se muestra en la trayectoria azul. No podemos rastrearlas hasta sus fuentes. La luz viaja hasta nosotros directamente desde sus fuentes, como se muestra en la trayectoria púrpura. (Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA)
Una forma de aprender sobre los rayos cósmicos es estudiando su composición. ¿De qué están hechos? ¿Qué fracción son electrones? ¿protones (a menudo denominados núcleos de hidrógeno)? ¿núcleos de helio? ¿otros núcleos de elementos de la tabla periódica? Medir la cantidad de cada elemento diferente es relativamente fácil, ya que las diferentes cargas de cada núcleo dan señales muy diferentes. Más difícil de medir, pero una mejor huella digital, es la composición isotópica (núcleos del mismo elemento pero con diferente número de neutrones). Para distinguir los isótopos hay que pesar cada núcleo atómico que entra en el detector de rayos cósmicos.
Todos los elementos naturales de la tabla periódica están presentes en los rayos cósmicos. Esto incluye elementos más ligeros que el hierro, que se producen en las estrellas, y elementos más pesados que se producen en condiciones violentas, como una supernova al final de la vida de una estrella masiva.
El Espectrómetro de Isótopos de Rayos Cósmicos (CRIS – la caja a la izquierda de la nave, con una etiqueta amarilla) de la nave espacial Advanced Composition Explorer (ACE) proporciona mediciones de los isótopos de los núcleos de los rayos cósmicos galácticos que van desde el helio hasta el zinc. ACE se lanzó en agosto de 1997. (Crédito: NASA/Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins)
SuperTIGER colgando del vehículo de lanzamiento justo antes de su lanzamiento en diciembre de 2012 con el Monte Erebus al fondo. SuperTIGER es un instrumento de rayos cósmicos en globo que mide los rayos cósmicos más pesados que el hierro para explorar la fuente de los rayos cósmicos y sus lugares de aceleración. El primer vuelo de SuperTIGER duró 55 días, un récord de duración para una carga útil científica de larga duración en la Antártida. (Crédito: Ryan Murphy/Universidad de Washington)
Los rayos cósmicos acelerados en los remanentes de supernova sólo pueden alcanzar una determinada energía máxima, que depende del tamaño de la región de aceleración y de la intensidad del campo magnético. Sin embargo, se han observado rayos cósmicos con energías mucho más altas que las que pueden generar los remanentes de supernova, y la procedencia de estas energías ultra altas es una gran pregunta abierta en astronomía. Quizá procedan de fuera de la galaxia, de núcleos galácticos activos, cuásares o estallidos de rayos gamma. O tal vez sean la firma de una nueva física exótica: supercuerdas, materia oscura exótica, neutrinos que interactúan fuertemente o defectos topológicos en la propia estructura del universo. Cuestiones como éstas vinculan la astrofísica de los rayos cósmicos con la física de partículas básica y la naturaleza fundamental del universo.
Confinadas por un campo magnético en los remanentes de supernova, las partículas de alta energía se mueven al azar. A veces cruzan la onda de choque. Con cada viaje de ida y vuelta, ganan alrededor del 1 por ciento de su energía original. Tras decenas o cientos de cruces, la partícula se mueve a una velocidad cercana a la de la luz y finalmente puede escapar. (Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA)