Rayos cósmicos y nubes

Rayos cósmicos y nubes

La era de la astronomía de neutrinos ha comenzado.

Un experimento avala que los rayos cósmicos ayuden a la formación de nubes en la atmósfera terrestre.

Vivimos en el único lugar del sistema solar en donde llueve agua.

De hecho es el único sitio conocido en donde hay agua líquida o hay nubes de agua.

El mecanismo por el que forman las nubes es complejo, pero primero recordemos que las nubes no están compuestas por vapor de agua, pues este es invisible, sino que están formadas por un aerosol de agua.

Ese aerosol refleja la luz y por eso las nubes parecen blancas.

No es sencillo tomar moléculas de agua en estado gaseoso y formar gotitas o cristalitos de hielo.

Se suele necesitar un agente que permita la nucleación de esas gotitas.

En estas mismas páginas hemos visto algunos estudios que apuntaban a las bacterias como agentes de nucleación, de tal modo que la evolución las ha seleccionado para ese cometido con el propósito de que se dispersen mejor.

El polvo y otras partículas y sustancias también hacen de agentes de nucleación.

Pero las moléculas de agua per se tienen dificultades a la hora de juntarse y formar agregados lo suficientemente grandes como para que actúen como núcleos de condensación, al menos según la teoría.

En su día se propuso, además de los mecanismos habituales ya mencionados, que los rayos cósmicos podrían ayudar en tarea, pero no había muchas pruebas que avalaran esta hipótesis.

Además, el problema principal era que las simulaciones numéricas que empleaban la químico-física tradicional no predecían esta nucleación.

El experimento CLOUD del CERN demostró en su día que un haz de piones conseguía multiplicar por 10 la nucleación en una cámara de 27 metros cúbicos, pero se cuestionó que el tamaño de núcleos de condensación generados fuera lo suficiente grande.

Se sugirió que, como la actividad solar puede alterar la llegada de rayos cósmicos a la Tierra, entonces esto puede provocar que el patrón de formación de nubes siga un ciclo temporal que refleje el ciclo solar, ya que el Sol puede ayudar a desviar algunos de estos rayos cósmicos gracias a los fenómenos magnéticos.

Esto es algo que algunos sostenían que ocurría. Como consecuencia de esto la Tierra sería más cálida cuando la actividad solar es mayor y viceversa.

Ahora un grupo danés de investigadores ha conseguido mejores pruebas al respecto de la nucleación por rayos cósmicos gracias al experimento SKY2.

Según este experimento la radiación (gamma en este caso o rayos cósmicos en la atmósfera) ioniza las moléculas a su paso por el medio y las cargas electrostáticas generadas facilitan la nucleación.

Los rayos cósmicos están generados en su mayoría en el espacio exterior, principalmente en explosiones de supernova, y consisten en protones moviéndose a gran velocidad.

Cuando estos protones inciden en las capas altas de atmósfera chocan contra los átomos allí presentes y se producen sucesivas cascadas de partículas subatómicas.

Rayos cósmicos y nubes
En tiempo casi real, los equipos informáticos en el laboratorio IceCube recogen los datos en bruto de los detectores de neutrinos cósmicos, enterrados en el hielo antártico. Los eventos seleccionados para su estudio se envían a través de satélite para el uso de cualquier miembro de la Colaboración IceCube. Crédito: Felipe Pedreros, IceCube/NSF

A la superficie llegan principalmente muones que terminan desintegrándose en electrones (o positrones) y neutrinos.

Es relativamente fácil observar indirectamente estas partículas con una cámara de niebla. Dispositivo que fue inventado hace unos cien años y cuyo funcionamiento inspira fácilmente la idea de nucleación en las nubes. Incluso se pueden construir cámaras de niebla caseras con una pecera.

El experimento SKY2 consiste en una cámara que contiene 8 metros cúbicos de gases que simulan la atmósfera.

Lo más difícil es mantener la pureza de esta mezcla de gases en el proceso, pues cualquier mota de polvo puede interferir al hacer de agente de nucleación.

En una serie de experimentos se comprobó la imposibilidad de nucleación en el sistema. Pero en otros, cuando se irradiaba con rayos gamma generados por un isótopo radiactivo, sí se comprobó que se producía nucleación.

Además, los rayos gamma conseguían núcleos de condensación de 50 nm de tamaño, tamaño suficiente como para demostrar que el efecto tiene significación meteorológica.

Los críticos argumentaban que los agregados producidos por los rayos cósmicos no podían crecer lo suficiente como para formar nubes, pero este experimento ha demostrado que sí es posible.

En la atmósfera los rayos ultravioletas del Sol provocan durante el día que el dióxido de azufre, el ozono y al vapor de agua formen ácido sulfúrico.

Este ácido sulfúrico diluido puede formar gotitas que hagan de núcleos de condensación. Pero se suponía que este proceso era el único relevante desde el punto de vista meteorológico y que durante la noche este proceso se paraba.

En el experimento se pudo comprobar que el papel desempeñado por los rayos ultravioletas puede ser desempeñado por los rayos gamma.

Así que el experimento SKY2 demostraría, según los investigadores implicados, que los rayos cósmicos pueden producir una nucleación extra, incluso durante la noche.

Pese a todo, algunos expertos del campo se muestran escépticos respecto a este resultado.

Si se confirmara podría tener implicaciones en los modelos de cambio climático, pero, de todos modos, el cambio de flujo de los rayos cósmicos debido a la actividad solar sólo es del 10%, por lo que el efecto sobre el calentamiento global no puede ser pronunciado.

Lo bonito de todo esto es que los rayos cósmicos generados en los confines de la galaxia están involucrados directamente en el clima terrestre, independientemente de que sea una gran o pequeña contribución.

Así que si llueve es en parte porque alguna supernova lejana explotó hace mucho tiempo.

Los astrofísicos que utilizan un telescopio incrustado en el hielo antártico han tenido éxito en la tarea de detectar y registrar los misteriosos fenómenos llamados neutrinos cósmicos – partículas casi sin masa que llegan a la Tierra a la velocidad de la luz, desde fuera de nuestro sistema solar, y que golpean la superficie en una explosión de energía, que puede ser tan poderosa como la bola rápida de un lanzador de béisbol. 

Ahora, los científicos esperan aprovechar el éxito inicial del Observatorio de Neutrinos IceCube para detectar el origen de estas partículas de alta energía, dijo el Profesor de Física Gregory Sullivan, quien dirigió el equipo de 12 personas de la Universidad de Maryland, que ha colaborado con IceCube .

“La era de la astronomía de neutrinos ha comenzado”, dijo Sullivan, cuando la Colaboración IceCube anunció la observación de 28 eventos de partículas de muy alta energía, que constituyen la primera evidencia sólida de neutrinos astrofísicos de fuentes cósmicas.

Mediante el estudio de los neutrinos que detecta IceCube, los científicos pueden aprender acerca de la naturaleza de los fenómenos astrofísicos que ocurren a millones, o incluso a miles de millones de años luz de la Tierra, dijo Sullivan.

“Las fuentes de los neutrinos, y la pregunta de qué es lo acelera a estas partículas, ha sido un misterio durante más de 100 años.

Ahora tenemos un instrumento que puede detectar neutrinos astrofísicos. Está funcionando muy bien, y esperamos que así lo haga durante otros 20 años”.
Se desconocen el origen y la causa de los neutrinos astrofísicos, aunque son fuentes potenciales las explosiones de rayos gamma, los núcleos activos de galaxias y los agujeros negros.

Una mejor comprensión de los neutrinos es muy importante en la física de partículas, la astrofísica y la astronomía, razón por la que los científicos han trabajado durante más de 50 años para diseñar y construir un detector de neutrinos de alta energía.

IceCube fue diseñado para lograr dos grandes objetivos científicos: medir el flujo de los neutrinos de alta energía y tratar de identificar algunas de sus fuentes.

El observatorio de neutrinos fue construido, y es operado por una colaboración internacional de más de 250 físicos e ingenieros.
 
IceCube está compuesto por 5.160 módulos ópticos digitales, suspendidos a lo largo de 86 cadenas incrustadas en el hielo debajo del Polo Sur.

El observatorio detecta los neutrinos a través de diminutos destellos de luz azul, llamada luz de Cherenkov, que se producen cuando los neutrinos interactúan con el hielo.

Las computadoras en el laboratorio IceCube, casi en tiempo real, recogen datos de los sensores ópticos, y por satélite envían información sobre eventos interesantes.

El equipo de la Universidad de Maryland diseñó el sistema de recopilación de datos y la mayor parte del software de análisis de IceCube. La construcción tardó casi una década, y el detector completo comenzó a recoger datos en mayo de 2011.

En abril de 2012 IceCube detectó dos eventos de alta energía por encima de 1 petaelectronvoltio (VPP), apodados Bert y Ernie, los primeros neutrinos astrofísicos definitivamente registrados por un detector terrestre.

Después de que se descubrieron a Bert y Ernie, el equipo de IceCube buscó en sus archivos, de mayo de 2010 a mayo de 2012, los acontecimientos que estaban ligeramente por debajo del nivel de energía de su búsqueda inicial. Descubrieron 26 eventos de alta energía, todos a niveles de 30 teraelectronvoltios (TeV) o más, indicativos de neutrinos astrofísicos.

Los resultados preliminares de este análisis se presentaron el 15 de mayo en el Simposio IceCube de Astrofísica de Partículas en la Universidad de Wisconsin-Madison.

El análisis presentado en Science revela una señal estadísticamente muy significativa (más de 4 sigma), que proporciona evidencia sólida de que IceCube ha detectado correctamente neutrinos extraterrestres de alta energía, dijo Sullivan.

Ya que los neutrinos astrofísicos se mueven en línea recta, sin verse afectados por fuerzas externas, pueden actuar como indicadores del lugar de la galaxia donde se originaron. Los 28 eventos registrados hasta ahora son muy pocos para señalar un lugar determinado, dijo Sullivan.

 El equipo espera determinar el origen, una vez que se produzcan más detecciones en los próximos años.


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