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UNIVERSO DE. ENERGIA. JAVIER DE LUCAS. ENERGIA ...más o menos limpia. 1.- UNIVERSO DE ENERGIA. Los “animales tecnológicos” sacan energía de la Naturaleza, la transforman y la utilizan. Eólica. Hidráulica. Solar. La energía de la vida...más o menos limpia. Eléctrica. Química.

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  1. UNIVERSO DE ENERGIA JAVIER DE LUCAS

  2. ENERGIA...más o menos limpia... 1.- UNIVERSO DE ENERGIA Los “animales tecnológicos” sacan energía de la Naturaleza, la transforman y la utilizan Eólica Hidráulica Solar

  3. La energía de la vida...más o menos limpia... Eléctrica Química Térmica Nuclear

  4. ... ¿qué es la ENERGÍA? El alma de la materia Antes de 1905  Materia y energía eran dos conceptos separados y su intersección daba lugar al Cosmos Materia Energía En 1905 A. Einstein  E = m c 2 La materia es energía condensada según un factor = (velocidad de la luz) 2

  5. ... ¿cómo se manifiesta la ENERGÍA? Asociación más inmediata: Energía Movimiento de un cuerpo dotado de masa Movimiento POTENCIAL Movimiento EFECTIVO Energía CINÉTICA Energía POTENCIAL = capacidad de producir un movimiento Hace falta una fuerza para producir cualquier movimiento que no sea rectilíneo y uniforme F = m a

  6. ... ¿de dónde procede la FUERZA? Desniveles de energía - Una fuerza es la manifestación de una interacción. - La distribución espacial de la fuerza (que puede variar en el tiempo), es descrita por un campo de fuerzas. - La energía es el efecto de una distribución espacial de fuerzas (campo). - Cada fuerza tiene un tipo de energía potencial asociada.

  7. La pereza de la Naturaleza - La Naturaleza siempre tiende a los estados de menor energía potencial  máximo equilibrio. - Oponerse a esto implica un gasto de energía. Mientras la manzana cuelgue del árbol, las fuerzas de adhesión en el interior de la madera se opondrán al “peso” de la manzana. En cuanto esas fuerzas fallen, la manzana caerá al suelo por efecto de su peso  El suelo será el estado más estable, es decir, de menor energía potencial. ? La vida misma es un continuo gasto de energía ....

  8. La continua transformación de la energía - La existencia de cualquier cuerpo es definida, a cada instante, por un estado de energía. - Cualquier “cambio” implica una variación de la energía del cuerpo: Esa energía será intercambiada con el entorno, pudiendo transformarse en en otra forma de energía. En este proceso, una parte siempre se disipa al entorno como energía térmica (calor). El movimiento macroscópico no es nada más que uno de estos “cambios”, donde algún tipo de energía se transforma en cinética.

  9. La continua transformación de la energía Muchas son las fuerzas y las formas de energía con las que tratamos en nuestra vida cotidiana ... RADIACIÓN Caminando por la calle... • Estamos continuamente sometidos a • fuerzas, aunque no nos demos cuenta. • Recibimos energía constantemente, • la transformamos y la disipamos. • Cada uno de nuestros movimientos, • incluso los más imperceptibles, • nos requiere ejercer algún tipo de • fuerza, con consecuentes • transformaciones y gastos de energía. • - Lo mismo vale para las máquinas • y los aparatos que nos acompañan • en nuestras tareas. ...Y muchas más... Sin embargo, todas las fuerzas se pueden reconducir a ...

  10. LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO GRAVITACIONAL Fuente: Masa = cantidad de materia Interacción: cuerpos dotados de masa Ley de la Gravitación Universal (Newton,1666) Para cualquier cuerpo C en la superficie de la Tierra T M T M C F = G ______ F = g MC RT2 g Para subir, necesitamos gastar energía: el combustible del avión ¿Por qué tenemos los pies en el suelo? Tendemos a caer hacia el suelo, lugar de menor energía potencial

  11. LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO ELECTROMAGNÉTICA Fuente: carga eléctrica Interacción: con cualquier cuerpo dotado de carga eléctrica (en reposo o en movimiento) o magnetismo El caso más sencillo: la interacción electrostática ¿Por qué podemos encender una bombilla? Al cerrar el circuito, los e- van desde el polo – hacía el polo +. e- Corriente eléctrica Para que se de una corriente eléctrica, es preciso mantener la Diferencia de Potencial (DDP) y, para eso, hay que gastar energía. - + DDP

  12. LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO A nivel subatómico: DÉBIL: responsable del decaimiento β, juega un papel fundamental en muchas reacciones de fusión; de la misma naturaleza que la electromagnética, pero con un radio de acción mucho más reducido. Decaimientos radiactivos = emisión de partículas o de radiación electromagnética (e.m.) por un átomo. α emisión de un núcleo α = 2p + 2n El resultado será otro elemento β n p con emisión de un e- El resultado será otro elemento γ emisión de radiación γ , sin cambios en el nº de p , e- y n,pero con un cambio del nivel de energía de alguna partícula Protón p Neutrón n Electrón e -

  13. LAS 4 FUERZAS QUE MUEVEN EL UNIVERSO A nivel subatómico: FUERTE: mantiene unidos los QUARKS dentro de los protones y los neutrones ...y los p y los n dentro de los núcleos atómicos ¿Siempre han existido estas fuerzas? Teoría del Big Bang GRAVITACIONAL FUERZAS UNIFICADAS FUERTE 10 – 4 s 10 – 43 s DÉBIL ELECTROMAGNÉTICA

  14. LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA De la misma manera que todas las fuerzas se pueden reconducir a 4 FUERZAS FUNDAMENTALES QUE MUEVEN EL UNIVERSO, las diferentes formas de energía se pueden reconducir a 2 FORMAS PRIMARIAS: la MATERIA y la RADIACIÓN. E = m c 2 ¿De dónde proceden la materia y la radiación que observamos en el Universo? Teoría del Big Bang Al principio fue una energía enorme e infinitamente concentrada, que no tenía forma ni de materia ni de radiación. Materia + Antimateria  Radiación  Una ínfima fracción de segundo después, ya existían materia y radiación y el UNIVERSO ESTABA DOMINADO POR LA RADIACIÓN. 300 000 años después, la radiación se desacopló de la materia y la densidad de materia superó la densidad de radiación. Desde aquel entonces, el UNIVERSO ESTÁ DOMINADO POR LA MATERIA ...pero si nada más hubiera ocurrido desde aquel entonces  El Universo sería un lugar frío e inerte, poblado únicamente por la radiación residual de la Gran Explosión y por materia primordial.

  15. LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA La observación del Universo y la misma existencia de la vida nos dicen que: - más materia (los elementos de los que está hecho nuestro propio mundo) ha sido sintetizada; - más radiaciones y de mayor energía que el débil fondo cósmico, nos llegan del Universo... una de ellas la conocemos de cerca y es la que permite nuestra existencia: la radiación Solar. ¿Dónde y cómo? En el interior de las ESTRELLAS Proceso: FUSIÓN NUCLEAR Condición necesaria: T ~ 10 6 – 10 8 ºK Otras partículas Radiación + 4 p 1 núcleo He m c 2 = E ...y así sucesivamente, todos los elementos: C, O...Ca, K ...hasta el Fe 56 • En la síntesis de núcleos complejos, parte de la masa se convierte en energía, en forma de radiación e.m.

  16. LA FÁBRICA DE LA ENERGÍA ¿Y puede ocurrir que la radiación se transforme en materia? A T elevadísimas: Radiación  pares partícula – antipartícula ...Lo que ocurría en el Universo recién nacido... T límite para producción de pares e- - e+ ~ 10 9 Nada se crea, nada se destruye, todo se transforma La energía total del Universo ha de mantenerse constante  Ni materia ni radiación se crean de la nada  La materia se puede convertir en radiación y viceversa bajo determinadas condiciones físicas  Materia y radiación interaccionan constantemente: - Los átomos absorben y reemiten radiación de determinadas longitudes de onda, dependiendo de las condiciones físicas a las que estén sometidos. - Electrones frenados en campos electromagnéticos pierden parte de su energía cinética en forma de radiación. - Cualquier cuerpo por encima del 0 absoluto emite una radiación debida exclusivamente al su temperatura, que es lo que da la medida de la energía cinética de las partículas que lo componen; dicha radiación es la radiación térmica. - Los colores que alegran nuestro mundo también se deben a algún tipo de interacción entre la radiación solar visible y las moléculas de los materiales. ¿De dónde vino esa energía inicial que dio origen al Universo?

  17. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO ¿Cómo nos llega a la Tierra la energía del Cosmos? Radiación Electromagnética Los mensajeros del Universo Partículas ¿Cuándo hablamos de altas energías? λ (m) 10 –15 10 –11 10 –9 10 –7 10 –5 10 –3 1108 γ XUV IR Microondas RADIO Altas Energías VISIBLE E = h c λ

  18. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO ...Cuando la radiación se encuentra con la materia... UV > E Estrella 12000ºK 6000ºK ν 3000ºk λ > VISIBLE γ Emisión fotosférica ? Radiación γ En una estrella “normal”, la radiación γ producida por las reacciones de fusión interacciona con toda la materia que se interpone entre el horno termonuclear y la superficie, tardando, en estos procesos, millones de años. El espectro (distribución de energía E(λ)) de la radiación resultante (emisión fotosférica) depende críticamente de las condiciones físicas de la materia que compone la estrella. IR ¿Cuáles son entonces las fuentes cósmicas de radiación de altas energías?

  19. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO La emisión de radiación de altas energías : - Requiere condiciones muy extremas - No es de origen térmico Fuentes de rayos γ Las Supernovas... E SN ~ 10 54 erg ~ 1 millón de veces la energía desprendida por una bomba atómica de masa = Lmax> L galaxia entera

  20. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Las Supernovas... Y sus remanentes milenarios Fuentes de rayos γ Nebulosa del Cangrejo (M1) en el visible (verde) y rayos X (azul) Explosión SN: 1054 d.C. Púlsar en el corazón de M1, en rayos γ “Cygnus Loop” en Vela Explosión SN: hace unos 20.000 años

  21. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos γ Acreción de un agujero negro supermasivo en galaxias activas El misterio de los brotes de rayos γ (GRB) • E GRB > 10 3 E SN • -Distribución casual en el cielo • - Ubicación impredecible • - Frecuencia fenómeno ~ 1vez / día • - Duracióny comportamiento variables • - Causas desconocidas • - No se ha podido observar ninguno a λ > rayos X • Posible clave del misterio: localización de la contraparte • óptica para estudiar la naturaleza de la fuente.

  22. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos γ EL CIELO EN LOS RAYOS γ

  23. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X La mayoría de las fuentes de rayos γpresentan también una emisión significativa en los rayos X Cygnus A (rayos X): radiogalaxia (AGN) Centaurus A (rayos X): radiogalaxia (AGN) Púlsar en Vela (rayos X) (remanente SN)

  24. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X Corona Solar - Plasma a muy bajas densidades y altísimas T. - Estructura presente en la mayoría de los objetos celestes. El misterio de la corona: T (corona) ~10 6 ºK T (fotosfera) ~10 3 ºK Las elevadísimas T de la corona se deben a un fenómeno llamado reconexión magnética. Las líneas de fuerza del campo magnético solar se rompen y se abren constantemente. Pero también vuelven a juntarse de diferentes maneras, cambiando la topología del campo magnético y desprendiendo una enorme cantidad de energía, en forma de calor, radiación electromagnética dura o energía cinética. Fenómenos de acreción en sistemas binarios Sistemas de rayos X  Objeto en acreción: AN (Agujero Negro) • Cataclísmicas en erupción • Objeto en acreción: EB (Enana Blanca) o EN (Estrella de Neutrones) Origen de la emisión X: radiación de frenado El material que cae a velocidades muy elevadas sobre el objeto en acreción “pega un frenazo” y transforma su energía cinética en radiación e.m. dura.

  25. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X M51 : galaxia en interacción (rayos X) “Lluvia coronal” (rayos X) Disco de acreción

  26. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Fuentes de rayos X Centro galáctico en rayos X ¿Actividad en galaxias “normales”?

  27. 2- ALTAS ENERGÍAS EN EL UNIVERSO Partículas de altas energías Aceleradores de partículas - Campos magnéticos - Frentes de choques producidos por SN - Procesos de acreción PROTONES PARTÍCULAS α (km/s) IONES ELECTRONES Fuentes de partículas de altas energías - Todo fenómeno responsable de emisión de radiación de altas energías - La mayoría de las partículas que llegan a la Tierra proceden del Sol y de SN dentro de nuestra galaxia - Las más energéticas, aunque menos numerosas, del centro de la Vía Láctea o de fuentes externas

  28. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO Donde se juntan los dos universos: el Cosmos está formado por los mismos ladrillos Lo infinitamente GRANDE como laboratorio para el estudio de fenómenos que no ocurren de forma natural en la Tierra Lo infinitamente PEQUEÑO como laboratorio para el estudio de fenómenos cuyas escalas espacio-temporales exceden la posibilidad de la experimentación directa

  29. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO Donde se juntan los dos universos: Aplicaciones ESPECTROSCOPÍA composición química y estado físico de estrellas y sistemas estelares; dinámica, presencia de campos eléctricos y magnéticos FÍSICA NUCLEAR estructura y evolución estelar FÍSICA DE PARTÍCULAS  radiación cósmica (SN, Sol); materia oscura (dinámica de galaxias, cosmología); reconstrucción de las fases muy tempranas del Universo (cosmología)

  30. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO LOS LADRILLOS DE LA MATERIA Los ladrillos sueltos: LEPTONES Ladrillos con cemento: QUARKS Partículas fundamentales que existen por separado Partículas fundamentales siempre vinculadas por la fuerza fuerte Carga eléctrica -1 0+2/3 -1/3 NEUTRINOS Down d Up u νe- ELECTRÓNe- Strange s Charmed c τ ντ LEPTONES PESADOS (TauonesτyMuonesμ) Top t Bottom b νμ μ

  31. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO LOS ETERNOS FUGITIVOS : LOS NEUTRINOS • No hay detección sin interacción • Los neutrinos son leptones de carga eléctrica nula y de masa casi nula, • que interaccionan muy débilmente con la materia. • La probabilidad de que interaccionen con la materia de un detector es muy baja. • La detección de los neutrinos es extremadamente difícil. • Difícil, pero no imposible: el juego de las probabilidades • Se utilizan superficies colectoras enormes para aumentar las probabilidades de detección. Millones y millones de neutrinos procedentes principalmente del Sol, de Supernovas galácticas y originados por el impacto de rayos cósmicos en la atmósfera terrestre, atraviesan la Tierra cada segundo ...sin que nos demos cuenta

  32. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO LOS ETERNOS FUGITIVOS : LOS NEUTRINOS Un telescopio de neutrinos para ver más atrás en el tiempo... 300 000 añosdespués del Big Bang: Hasta ahí nos permite ver la radiación más antigua Los neutrinos podrían permitirnos ver hasta los 10 primeros segundos del Universo ...y mucho más adelante Neutrinos Materia oscura Futuro del Universo

  33. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO FAMILIAS DE PARTÍCULAS MATERIA ORDINARIA BARIONES MATERIA FUGAZ PARTÍCULAS INESTABLES Reacciones químicas Corrientes eléctricas Decaimiento β τ μ e- ντ νμ νe- Reacciones nucleares (fusión, decaimientos) C S T B U D MESONES Partículas secundarias producidas por rayos cósmicos p = uud n= udd Tienden a decaer en los respectivos Bariones. Se reproducen en los aceleradores, en el intento de simular los primeros instantes del Universo.

  34. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO FAMILIAS DE PARTÍCULAS FERMIONES: una gran familia donde...los gemelos no pueden estar juntos LEPTONES QUARKS P n νe- e- U D BARIONES τ ντ C S Partículas inestables μ T νμ B MESONES π, K, ή El estado de energía de cada partícula4números cuánticos. Sus distribuciones (probabilidad de que se encuentren en una determinada “zona”)estadística de FERMI – DIRAC. PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN: En un mismo átomo o partícula subatómica no pueden coexistir dos fermiones con los mismos números cuánticos.

  35. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO FAMILIAS DE PARTÍCULAS BOSONES: los mensajeros de las fuerzas Son las partículas que se encargan de transportar las interacciones (fuerzas). Siguen la estadística de BOSE- EINSTEIN. Cada fuerza tiene su mensajero ELECTROMAGNÉTICA DÉBIL W- Z FOTONES: partículas de luz sin masa (en reposo) E= hν W+ Los protagonistas de la radiactividad GRAVITACIONAL FUERTE GLUONES: 8 diferentes pegamentos para los quarks y para protones y neutrones en los núcleos ¿GRAVITONES?

  36. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA Una idea extravagante... Dirac predijo la existencia de la antimateria en 1928, a la luz de las teorías de la Mecánica Cuántica (Nobel ´33). ...pero no absurda... La prueba de la existencia de la antimateria: Simulaciones en aceleradores de partículas 1932  detección del primer positrón (electrón positivo e+) 1955  el primer antiprotón y 1 año después, el primer antineutrón 1965  el primer “antinúcleo” de antihelio 1981 (CERN)  la energía liberada por la aniquilación de materia y antimateria es >> que la nuclear 1996 (CERN)  se sintetiza el primer antiátomo de antihidrógeno 1991 (NASA)  el satélite CGRO (Compton Gamma Rays Observatory) descubre una nube de positrones que atraviesa el centro de nuestra galaxia e - e+

  37. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA Una naturaleza simétrica... Toda partícula fundamental tiene su antipartícula exactamente igual, pero de carga eléctrica opuesta Carga eléctrica -1 +1 0+2/3 -2/3 -1/3 +1/3 LEPTONES Y ANTILEPTONES QUARKS Y ANTIQUARKS e+ d Anti-d e- Anti-u u νe- νe+ BARIÓNICA s Anti-s Anti-c c Anti-τ τ Anti-ν τ ν τ Anti-t t Anti-b Anti-μ b μ Anti-ν μ νμ NO BARIÓNICA

  38. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA ¿Hasta qué punto es simétrica la Naturaleza? ? p= uud Anti-p= Anti (uud) Átomo Anti- Átomo n= udd Anti-n= Anti (udd) Flor Anti-Flor ? GALAXIAS ? ANTI- GALAXIAS

  39. 3- DE LO INFINITAMENTE GRANDE A LO INFINITAMENTE PEQUEÑO AL LÍMITE DE LA CIENCIA FICCIÓN: LA ANTIMATERIA La asimetría de la existencia ¿Podría existir un anti-Universo hecho de antimateria? No se ha encontrado rastro de antimateria en la Tierra. El encuentro de una persona con su anti-persona sería absolutamente destructivo para ambos... Sólo se ha producido antimateria a nivel subatómico y atómico, en los aceleradores. Nunca se han producido ni detectado anti-átomos más complejos que el helio o anti-moléculas. Nunca se han encontrado galaxias de antimateria, sólo se ha detectado: en La Vía Láctea, una nube de positrones cuyo origen queda incógnito. Si al principio las simetrías eran perfectas, ¿por qué ganó la materia? Durante los primeros 10 - 4segundos de vida del Universo se crearía un pequeño exceso de materia respecto a la antimateria. Ese ínfimo exceso de materia sobrevivida a la aniquilación es la semilla de las estructuras que observamos en nuestro universo. ¿Azar?

  40. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE MICROONDAS RADIO LA ENERGÍA DEL SOL PARTÍCULAS RAYOS X IR Laluz visibley elcalor permiten la existencia de la vida ... ...pero eso no es lo único que nos llega de nuestro Sol... UV VISIBLE

  41. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL El horno nuclear En el interior del Sol a cada segundo: - Las reacciones nucleares transforman 5x 106 T de materia en energía - Cantidad de energía liberada por segundo > que la consumida en toda la Historia de la Humanidad - La energía es liberada en forma de: T~107 ºK γ Radiación γ Interacciona con la materia El resultado de esas interacciones en una emisión fotosférica que presenta un espectro continuo con máximo de emisión en el visible. ν Neutrinos ν NO Interaccionan con la materia Se detectan < ½ de los ν esperados por el balance de las reacciones nucleares. ¿Transiciones entre diferentes tipos de ν? NO olvidemos que:  el Sol es una estrella absolutamente NORMAL.  NO es ninguna fuente poderosa de radiación o de partículas de altas energías. ...pero lo es para nosotros, debido a su CERCANÍA.

  42. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL La corona Plasma en condiciones muy extremas: 106 km T ~2 x 10 6 ºK d ~d (vacío de laboratorio) - Débil emisión visible - Fuerte emisiónUV,X,e- acelerados La intensidad varía a lo largo del ciclo de actividad. UV X e- acelerados El viento solar - Prolongación de la corona que se extiende hasta los confines del Sistema Solar - Flujo de e- y p acelerados por campo magnético del Sol - En la Tierra medimos: v ~300-700 km/s d~ 6 partículas/ cm3 - Tiempo necesario para alcanzar la Tierra: 15 min –72 h - Intensidad de flujo: dependiente del actividad solar

  43. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los escudos de la Tierra SN SOL CINTURONES MAGNÉTICOS Partículas Radiación ATMÓSFERA Y CAPA DE OZONO

  44. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los talones de Aquiles de la Tierra Los polos son los puntos débiles del caparazón magnético ... ...”gracias a ello”, la Naturaleza nos puede ofrecer este espectáculo El otro punto débil: el agujero en la capa de ozono La mano del Hombre: el mayor responsable del deterioro de la coraza de protección contra la dañina radiación UV

  45. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA CARA MÁS ENERGÉTICA DE NUESTRO SOL Los talones de Aquiles de la Tierra Emisión en rayos X en el polo Norte terrestre debida al viento solar

  46. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA Todo empezó con un vuelo en globo Ya se habían descubierto los rayos X y la radiactividad natural cuando... 1903: se descubre la ionización del aire. 1910: un electroscopio subido a la Torre Eiffel mide más radiactividad. 1911: Victor Hess vuela en globo hasta los 5000m de altura, donde la radiación era mucho más intensa que al nivel del mar  intuyó que: la radiación debía ser de origen cósmico (Nobel de Física 1936). Hoy sabemos que: - Del espacio nos llega una enorme cantidad de partículas procedentes de objetos que protagonizan fenómenos de altas energías. - Por la cercanía, la mayoría de esas partículas proceden del SOL y de Supernovasdentro de nuestra galaxia, aunque partículas de energías elevadísimas nos lleguen también de AGN o GRB. - De la misma manera, el flujo más intenso procede del SOL, especialmente en los períodos de máxima actividad. - Parte de la radiación cósmica primaria (p, e-, núcleos αy otros núcleos más pesados), queda atrapada en los cinturones magnéticos. - Las partículas más energéticas que logran penetrar reaccionan con los átomos de la alta atmósfera, produciendo cascadas de partículas secundarias.

  47. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA Partículas de masa nula RADIACIÓN  ONDA Algo abstracto, totalmente evanescente PARTÍCULA  CORPÚSCULO Algo tangible, dotado de masa, por pequeña que sea Definición de rayo cósmico restringida a partículas de masa finita La idea más común : SEPARACIÓN Pero: MECÁNICA CUÁNTICA (Dualidad onda-corpúsculo) RELATIVIDAD La masa de un cuerpo NO es absoluta sino que aumenta av próximas a c La radiación e.m. está hecha de PARTÍCULAS DE MASA NULA llamadas FOTONES Para la radiación cósmica, estamos en régimen relativista Lo que define la RADIACIÓN CÓSMICA es un RANGO DE ENERGÍA (VHE = Very High Energy) independientemente de que se trate de: - partículas dotadas de masa (p, e-, iones) aceleradas a v próximas a c - fotones de radiación e.m. dura (γ y aún más energética)

  48. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA ¿Cómo atrapar la radiación cósmica? Fiabilidad de la información Requisitos 1) Posibilidad de recibir la información 2) Cantidad 3) Calidad NEUTRINOS Estamos sometidos a un bombardeo constante de millones y millones Nos llegan de la fuente sin perturbaciones Débil interacción difícil detección PARTÍCULAS CARGADAS p , e- , IONES La mayoría son desviadas por los cinturones magnéticos de la Tierra Desviadas por campos magnéticos: del Sol y extrasolares imposible localizar la fuente Posible alternativa: observación desde el espacio Dificultad: coste de misiones espaciales

  49. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA ¿Cómo atrapar la radiación cósmica? Fiabilidad de la información 1) Posibilidad de recibir la información 2) Cantidad 3) Calidad FOTONES ALTA ENERGÍA = RADIACIÓN CÓSMICA NEUTRA Fácilmente detectables Afortunadamente, la atmósfera absorbe la radiación de alta energía Comparable con la obtenida por los demás detectores de fotones Posibles soluciones: - Satélites  Dificultad: coste - Detección en Tierra de la radiación cósmica secundaria LO QUE SE DETECTA SON LAS PARTÍCULAS SECUNDARIAS PRODUCIDAS POR EL IMPACTO, EN LAS CAPAS ALTAS DE LA ATMÓSFERA, DE LOS FOTONES ALTAMENTE ENERGÉTICOS DE LA COMPONENTE NEUTRA DE LA RADIACIÓN CÓSMICA.

  50. 4 - DE LO INFINITAMENTE PEQUEÑO A LO INFINITAMENTE GRANDE LA RADIACIÓN CÓSMICA Cascadas de partículas Un fotón VHE impacta en la alta atmósfera Se crea una cascada de partículas secundarias “air shower” Se generan partículas secundarias inestables que producen una reacción en cadena Decenas de km Las partículas alcanzan v > c (¡en el medio!) emitiendo una radiación característica: RADIACIÓN CHERENKOV Visible-UV  Fácilmente detectable

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