Cada segundo, una lluvia invisible de partículas procedentes del espacio alcanza nuestro planeta. Algunas nacieron en violentas explosiones estelares, otras fueron aceleradas por la actividad del Sol y muchas han viajado durante millones de años antes de encontrarse con la Tierra. No podemos verlas ni sentirlas, pero transportan información sobre algunos de los fenómenos más energéticos del universo. Para estudiarlas, los científicos utilizan unos instrumentos llamados monitores de neutrones, capaces de registrar las huellas que dejan esas partículas al atravesar nuestra atmósfera. Hoy, en Hablando con Científicos, conversamos con Juan José Blanco Ávalos, catedrático de la Universidad de Alcalá e investigador del Grupo de Investigación Espacial especializado en rayos cósmicos, interacción Sol-Tierra y meteorología espacial.

La historia de los rayos cósmicos comenzó con una sorpresa. A principios del siglo XX, el físico austriaco Victor Hess ascendió en globo para investigar la ionización del aire. Se esperaba que la radiación disminuyera con la altura, puesto que se suponía que procedía de materiales radiactivos presentes en el suelo. Sin embargo, observó justamente lo contrario: cuanto más ascendía, mayor era la radiación. Aquello reveló que una parte importante de las partículas que alcanzaban la atmósfera tenía un origen extraterrestre.

Los rayos cósmicos son principalmente núcleos atómicos despojados de sus electrones, que viajan a velocidades extraordinarias. Muchos proceden de nuestra galaxia, donde fenómenos como las explosiones de supernovas pueden acelerarlos hasta energías enormes. Otros tienen su origen en regiones todavía más violentas del universo.

Como explica Blanco Ávalos, identificar su procedencia no resulta sencillo. Al tener carga eléctrica, sus trayectorias se desvían continuamente por los campos magnéticos que encuentran durante el viaje. El investigador utiliza una comparación muy gráfica: “el rayo cósmico se mueve como si fuera un borracho, va adelante, atrás, haciendo zigzags”. Por eso, cuando finalmente llega a la Tierra, resulta difícil reconstruir el camino que ha seguido.

¿Qué ocurre cuando una de estas partículas alcanza nuestra atmósfera? Al chocar con los núcleos de oxígeno o nitrógeno del aire, desencadena una cascada de partículas secundarias. Entre ellas aparecen neutrones y muones, dos protagonistas fundamentales de esta investigación.

Los neutrones carecen de carga eléctrica y forman parte de los núcleos atómicos. Los muones, en cambio, son partículas cargadas, semejantes a los electrones, pero unas 207 veces más masivas. Ambos pueden proporcionar información sobre los rayos cósmicos que los originaron.

“El mejor acelerador de partículas es justamente el universo”, comenta Blanco Ávalos, recordando que los rayos cósmicos pueden alcanzar energías muy superiores a las producidas en los grandes aceleradores terrestres.

Para detectar los neutrones, su equipo utiliza instrumentos que contienen materiales capaces de capturarlos y transformar esa interacción en señales eléctricas. El número de partículas registradas permite conocer cómo varía el flujo de rayos cósmicos que alcanza nuestro planeta.

Pero esas variaciones dependen de numerosos factores. El campo magnético terrestre dificulta la entrada de partículas cargadas, especialmente en las regiones ecuatoriales, mientras que cerca de los polos su acceso resulta más fácil. También influye la altitud: cuanto más alto se encuentra un detector, menor es la cantidad de atmósfera que las partículas secundarias deben atravesar.

El Sol introduce otra complicación. Sus fulguraciones y eyecciones de masa coronal pueden alterar el flujo habitual de rayos cósmicos. En ocasiones, las estructuras magnéticas expulsadas por nuestra estrella actúan como un escudo y provocan disminuciones temporales de las partículas detectadas, conocidas como “decrecimientos Forbush”. En otras, una explosión solar acelera partículas tan energéticas que producen aumentos repentinos en los registros.

Estas observaciones tienen aplicaciones prácticas. “Los monitores de neutrones pueden proporcionar avisos tempranos de determinados episodios de radiación solar”, una información valiosa para proteger satélites, sistemas de comunicaciones y misiones espaciales tripuladas.

El Grupo de Investigación Espacial de la Universidad de Alcalá participa en una red internacional de observatorios y mantiene tres instrumentos situados en lugares muy diferentes: CaLMa, en Guadalajara; ORCA, en la base antártica española Juan Carlos I; e ICARO, en el Observatorio de Izaña, en Tenerife.

Cada emplazamiento ofrece una perspectiva distinta. Al combinar sus registros con los de estaciones distribuidas por todo el planeta, explica el investigador, “lo que hacen es convertir a la Tierra en su conjunto en un detector de rayos cósmicos”.

El equipo también ha desarrollado instrumentos para estudiar muones. Uno de ellos, denominado MITO, permite determinar la dirección de llegada de estas partículas y obtener información adicional sobre las estructuras magnéticas procedentes del Sol.

Otro proyecto utiliza un detector portátil, MiniCalMa, que ha sido trasladado a diferentes alturas de Tenerife, desde el nivel del mar hasta las proximidades de la cima del Teide. Sus observaciones permiten investigar cómo se producen y distribuyen los neutrones en la atmósfera.

La mejora de los detectores abre continuamente nuevas posibilidades. Blanco Ávalos lo resume con una idea que refleja bien el espíritu de la investigación: “cuando mejoran la tecnología de detección, lo que te hace es abrir cosas que nunca has observado”.

Te invitamos a escuchar la entrevista con Juan José Blanco Ávalos catedrático de la Universidad de Alcalá y miembro del Grupo de Investigación Espacial en Hablando con Científicos

Referencias

Grupo de Investigación Espacial – Space Research Group

Proyecto I+D+i 2019: ORCA, ORCT, miniCaLMa Y CaLMa. Observando de la interacción sol-tierra y el entorno terrestre. Contribución española a la neutron monitor data base.

CaLMa Monitor de Neutrones de Castilla-La Mancha