Los rayos cósmicos son partículas de gran velocidad y de muy alta energía que proceden de diversas rincones del espacio exterior. A muy bajas energías, se sabe que los rayos cósmicos están formados por protones, neutrones, núcleos atómicos, electrones y partículas de antimateria. Los rayos cósmicos más dominantes son los que provienen del Sol. A muy altas energías, en cambio, se sabe que abundan los núcleos atómicos de diferentes elementos químicos, siendo su composición específica y su origen aún materia de discusión. Determinar la naturaleza de los rayos cósmicos de altas energías y el flujo que de estas partículas recibe nuestro planeta a diferentes rangos de energía (lo que se conoce como espectro de energías) es una de las áreas de investigación de la astrofísica de partículas más activas alrededor del mundo. La atención que se brinda al estudio de estas cantidades radica en que encierran valiosas claves sobre el origen, mecanismo de aceleración y producción de los rayos cósmicos en el universo. Ésta no es una tarea sencilla, ya que a muy altas energías el flujo de rayos cósmicos disminuye muy rápidamente haciendo poco probable su detección en los modestos detectores de partículas que se instalan a bordo de cohetes, globos aerostáticos o satélites espaciales. La detección se realiza entonces monitoreando extensas áreas de la superficie terrestre con diversas clases de detectores de partículas y de radiación para incrementar el área de colección y aumentar, por tanto, la posibilidad de detección. Además, se hace uso de una técnica especial de observación que consiste en detectar los chubascos de partículas que los rayos cósmicos producen al chocar con la atmósfera terrestre a su llegada a la Tierra (ver figura 1). A partir de las propiedades del chubasco se pueden determinar la naturaleza, energía y dirección de arribo del rayo cósmico original.

Figura 1. Cuando llegan a la atmósfera los rayos cósmicos colisionan con ella produciendo un enjambre o chubasco de partículas que viaja hasta la superficie de la Tierra donde es detectado con diversos instrumentos (Imagen: Hajo Drescher, Frankfurt University).

Recientemente, la colaboración del observatorio de rayos cósmicos KASCADE-Grande, empleando diferentes técnicas de detección de chubascos de partículas y de análisis, dió un paso adelante en el estudio de la naturaleza de esta radiación al presentar una primera estimación de la composición y la abundancia de los rayos cósmicos a muy altas energías: dentro del rango de diez mil a un millón de TeV's (un TeV es la abreviación de Tera-electrón-Volt y es una unidad de energía equivalente a la que poseen los haces de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de partículas más potente creado hasta el momento por el hombre). Los resultados muestran que los rayos cósmicos a estas energías están compuestos por al menos tres grupos de masa diferentes: el ligero (cuyos elementos más representativos serían el Hidrógeno y el Helio), el mediano (compuesto principalmente por Carbono, Oxígeno y Nitrógeno) y el pesado (dominado por Silicio y Hierro), siendo el más abundante el grupo pesado.

A partir de los mismos estudios, la colaboración KASCADE-Grande encontró, a su vez, que los flujos de rayos cósmicos de los grupos ligero y pesado varían de una forma muy peculiar dentro de la región de energía estudiada (ver figura 2). En particular, se descubrió que el flujo de rayos cósmicos del tipo pesado sufre una caida abrupta a partir de cierta energía (equivalente a cien mil TeV's) mientras que, casi a la misma energía, el flujo del grupo ligero (que es menos abundante) comienza a recuperarse. La caída en el flujo de la componente pesada de los rayos cósmicos ocasiona un doblez en su espectro y da lugar a una curiosa estructura conocida como“la rodilla”. Se le llama así por el curioso parecido que guarda la forma de este espectro con una pierna ligeramente flexionada. Estos estudios complementan las investigaciones presentadas en el 2005 por el grupo del experimento KASCADE (el antecesor del observatorio KASCADE- Grande) en donde se encontró que a energías más bajas (de mil TeV's) los espectros de los grupos ligero y mediano, los cuales son más abundantes en este caso, también poseen “rodillas”.

Figura. 2. Flujo de los grupos de masa ligero (azul) y pesado (rojo) de los rayos cósmicos para diferentes energías de acuerdo a los resultados del experimento KASCADE-Grande. Las líneas punteadas marcan las posiciones de las “rodillas” en los flujos de los rayos cósmicos ligeros (1) y pesados (2) (Imagen: Colaboración KASCADE-Grande).

Ahora bien, resulta que, analizando las energías a las cuales se presentan las “rodillas” en los espectros de cada grupo de masa, la colaboración KASCADE-Grande encontró un patrón que parece indicar que tales energías aumentan con la carga eléctrica de los núcleos atómicos detectados. Lo anterior sugiere a los científicos que los rayos cósmicos con energía dentro del rango analizado por los observatorios KASCADE y KASCADE-Grande sufren una especie de confinamiento magnético ya sea en la fuente o dentro del volumen de nuestra propia galaxia. La explicación se basa en el hecho de que los campos magnéticos capturan partículas cargadas dentro de cierta región siempre que la energía de estas no supere cierto límite. Este límite depende de la carga eléctrica del rayo cósmico, siendo más alto para partículas de mayor carga eléctrica. Más allá de este límite, el campo magnético de la fuente o de la galaxia pierde su eficiencia y deja de confinar rayos cósmicos, lo que ocasiona que el flujo de estas partículas decaiga abruptamente generando, así, el patrón de rodillas que se aprecia en los resultados de los observatorios KASCADE y KASCADE-Grande.

Respecto al origen de los rayos cósmicos detectados por KASCADE y KASCADE-Grande aún se sabe muy poco. Se estima que estas partículas podrían provenir de nuestra propia galaxia, en especial de regiones magnetizadas que se presentan en zonas donde colisionan nubes de gas y material interestelar. Estas nubes serían las expulsadas en potentes estallidos de estrellas masivas (eventos que se conocen como Supernovas). Ahora bien, si se calculan las predicciones para el flujo total de rayos cósmicos (es decir, la suma de los flujos de todos los grupos de masa) en base a este modelo, estas parecen estar muy por debajo de lo reportado por las observaciones de KASCADE-Grande y otros experimentos que han medido el flujo total. Para algunos científicos, lo anterior indica que, además de los remanentes de Supernovas, deben existir fuentes adicionales, por lo pronto desconocidas, de rayos cósmicos energéticos en nuestra galaxia que no se han tomado en cuenta en los cálculos, mientras que para otros, sugiere la presencia de ciertos fenómenos magnéticos no considerados al momento que podrían estar reacelerando los rayos cósmicos a más altas energías.

Figura. 3. Parte de la red de detectores del observatorio de rayos cósmicos KASCADE-Grande (Imagen: Colaboración KASCADE- Grande).

De cualquier forma, los modelos anteriores no explican porque el flujo de rayos cósmicos ligeros se recupera a muy altas energías como sugieren los resultados de KASCADE- Grande. Este fenómeno bien podría ser explicado con la hipótesis de que, a estas energías, un acelerador más potente que los encontrados normalmente en nuestra galaxia estaría contribuyendo con un flujo adicional de rayos cósmicos ligeros. Este acelerador, estaría ubicado más allá de los confines de nuestra galaxia. Objetos astrofísicos de la clase requerida podrían ser los núcleos de galaxias activas y los poderosos estallidos de rayos gamma.

Figura. 4. Remanente de la Supernova de Tycho observada en rayos X. Los remanentes de supernova son restos de gas expulsado a grandes velocidades por explosiones muy violentas de estrellas masivas con masa 5 veces superior a la del Sol (Imagen: J. Warren et al., NASA).

Determinar la naturaleza, origen y mecanismo de aceleración de los rayos cómsicos de muy alta energía requerirá más tiempo. Se necesitará de nuevos experimentos que confirmen los resultados de KASCADE-Grande, tales como ICETOP (ubicado en la Antártida), TUNKA (localizado en Siberia) y AMIGA (que se halla en Argentina). También requerirá de la revisión de los modelos teóricos sobre la producción y progación de los rayos cósmicos que tomen en cuenta los nuevos resultados experimentales y quizás nuevas ideas. A su vez, serán de vital importancia las observaciones realizadas con otras ventanas astronómicas, tales como rayos gamma y neutrinos de altas energías, partículas que deberían estar presentes en los sitios donde se aceleran los rayos cósmicos. Los rayos gamma y los neutrinos, a diferencia de los rayos cósmicos, no están cargados eléctricamente, de esta manera, no se ven desviados por los campos magnéticos interestelares. En consecuencia, la dirección de los rayos gamma y neutrinos apunta directamente a la fuente que los produce.

Figura 5. Núcleos de Galaxia Activa Centaurus A. Estas galaxias poseen una fuente muy potente de radiación en su núcleo. Se cree que el origen de esta emisión es un agujero negro supermasivo (de masa entre un millón y mil millones la del Sol) que atrae materia de la galaxia a su interior (Imagen: Observatorio Anglo-Australiano).

El observatorio KASCADE-Grande está ubicado en las instalaciones del Instituto Tecnólogico de Karlsruhe (KIT), Alemania. Cubre una superficie de 0.5 km2 y consta de diferentes clases de detectores de partículas. La colaboración la conforman científicos de varios países: Alemania, Italia, Rumania, Polonia, Brasil y México. En México, el Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana participa activamente en el análisis de datos del observatorio.