Los rayos cósmicos son núcleos atómicos acelerados en supernovas y estrellas principalmente, aunque los más energéticos se cree que se originan en núcleos activos de galaxias y en los fenómenos más violentos que tienen lugar en el universo, como colisiones de objetos estelares. Los rayos cósmicos que se forman en estas fuentes forman la componente primordial de los rayos cósmicos.
Los rayos cósmicos, en su camino a través del medio interestelar, sufren una serie de transformaciones que se observan en la composición de los rayos cósmicos que alcanzan la frontera exterior de la atmósfera. A estos rayos cósmicos se les denomina rayos cósmicos primarios. Una vez en la atmósfera, interaccionan con los átomos de la atmósfera produciendo una serie de nuevas partículas, neutrones, piones, protones… que forman la población de lo que se conoce como rayos cósmicos secundarios y que pueden alcanzar la superficie terrestre. El campo magnético terrestre y la propia atmósfera actúan como un escudo efectivo que reduce fuertemente el número de rayos cósmicos secundarios que alcanzan el nivel del mar.
La componente de menor energía de la población de rayos cósmicos se ve fuertemente afectada por la actividad solar y el propio Sol es capaz de acelerar núcleos atómicos y electrones a las energías propias de los rayos cósmicos. Este grupo de partículas se denominan partículas energéticas solares. Por tanto, el estudio de la componente de baja energía de los rayos cósmicos y de las partículas energéticas solares ofrece la posibilidad de resolver incógnitas sobre los procesos de aceleración de partículas en fuentes estelares, los medios a través de los cuales se propagan, es decir medio interestelar, medio interplanetario, magnetosfera y atmósfera y, finalmente, el estado de la actividad solar y sus posibles consecuencias sobre el entorno terrestre y la actividad humana.
Uno de los instrumentos capaces de observar el flujo de rayos cósmicos sobre la Tierra son los monitores de neutrones, los cuales, integrados en una red mundial, convierten a la Tierra en un gigantesco detector capaz de resolver las cuestiones planteadas en los párrafos anteriores.
El proyecto puede ser fácilmente dividido en dos acciones generales, el desarrollo y consolidación de la contribución española a red global Neutron Monitor Data Base y en el análisis de las medidas que se realizan de forma continuada.
En la actualidad, tres detectores de rayos cósmicos son gestionados en España, el Monitor de Neutrones de Castilla-La Mancha (CaLMa), en Guadalajara a 708 m de altitud, el Observatorio de Rayos Cósmicos Antártico (ORCA) en la Base Juan Carlos I, a 12 m, que mide neutrones y muones principalmente junto con la dirección de incidencia de muones, y el mini-monitor de neutrones miniCaLMa. Un cuarto detector, Izaña Cosmic Ray Observatory (ICaRO), está previsto que se instale en el Observatorio Atmosférico de Izaña, a 2373 m de altitud, a lo largo de este proyecto. Hay que señalar que miniCaLMa es un detector móvil que puede ser transportado mientras está en funcionamiento. Tiene dos objetivos, actuar de calibrador de los otros tres instrumentos y realizar observaciones latitudinales a bordo de los barcos que participan en la campaña antártica española, el Hespérides y el Sarmiento de Gamboa.
Estos detectores miden el flujo de rayos cósmicos de forma continuada. Combinados con medidas de magnetómetros, parámetros atmosféricos y observaciones desde satélite, se analiza la actividad solar, tanto de los sucesos transitorios, como fulguraciones y eyecciones de masa coronal, como la evolución del ciclo solar. Una posibilidad adicional consiste en utilizar el flujo de rayos cósmicos para determinar las condiciones atmosféricas a la altura en donde se produce el primer impacto del rayo cósmico sobre un núcleo atmosférico, alrededor de 10 km, así como verificar el papel de los rayos cósmicos en la formación de nubes.
Gracias a ICaRO, seremos capaces de medir de forma directa neutrones acelerados de origen solar. Esta medida, es clave para comprender los procesos de aceleración de partículas que tienen lugar en el Sol, ya que estos neutrones solares podrían proceder directamente de la región en la que tienen lugar dichos procesos de aceleración. Por otro lado, miniCaLMa, gracias a sus observaciones latitudinales, permitirá reconstruir el espectro de rayos cósmicos en la región de baja energía a lo largo de ciclo solar, lo cual puede alimentar modelos que describan la propagación de los rayos cósmicos a través del medio interestelar. Finalmente, las observaciones de ORCA y CaLMa, junto con miniCaLMa e ICaRO permiten el análisis de la actividad solar de forma continuada. Este proyecto aporta datos de forma continuada a la comunidad científica y a las empresas con intereses en la observación de la actividad solar y sus efectos sobre el entorno terrestre y contribuye a la consolidación del papel de la investigación española en la red mundial de monitores de neutrones
Los resultados de nuestro proyecto permitirán 1) analizar la actividad solar y su efecto sobre el entorno terrestre, siendo posible anticipar en el rango de 1 h la llegada a la órbita terrestre de tormentas de radiación solar producidas por fulguraciones solares y eyecciones de masa coronal; 2) elaborar estimaciones de radiación de origen solar y cósmico a diferentes alturas, siendo especialmente relevantes aquellas por las que circulan las líneas de vuelos comerciales o las constelaciones de satélites que permiten las comunicaciones globales; y 3) mejorar el conocimiento sobre los procesos físicos que tienen lugar durante el viaje de los rayos cósmicos desde sus fuentes a la Tierra.
Por otro lado, y en combinación con otros instrumentos, será posible estimar las condiciones atmosféricas a una altura de unos 10 km, lo que permitiría validar modelos atmosféricos y estudiar las interacciones entre las diferentes capas atmosféricas, así como analizar el papel que juega el campo magnético terrestre sobre la propagación de los rayos cósmicos y utilizar estos resultados como base de procesos de reconstrucción de la componente inducida de la magnetosfera, es decir, la componente de la magnetosfera producida por la interacción del viento solar con la Tierra.
Por último, y como instrumentos integrados en la Neutron Monitor Data Base, somos suministradores de datos que alimentan los modelos de predicción y alarmas frente a actividad solar potencialmente peligrosa.
Juan José Blanco Ávalos es doctor en Ciencias Físicas por la Universidad de Alcalá de Henares (UAH). Es profesor de la UAH desde enero de 2003 y actualmente ocupa el puesto profesor Titular en el departamento de Física y Matemáticas de dicha Universidad. Es coinvestigador del Energetic Particle Detector a bordo del Solar Orbiter que es una misión conjunta ESANASA y forma parte del equipo de investigación del instrumento REMS en el Mars Science Laboratory que es uno de los rover de observación que NASA tiene actualmente operativos en Marte. Es responsable del monitor de neutrones de Castilla-La Mancha (CaLMa) y del Observatorio de Rayos Cósmicos Antártico (ORCA). Sus líneas principales de investigación son la interacción Sol-Tierra y rayos cósmicos por debajo de 100 GeV/nucleón. Ha participado en 24 proyectos de investigación y contratos, en 7 de los cuales ha sido investigador principal. Es coautor de 51 artículos en revistas internacionales, 15 de ellos fueron publicados en Science dentro del equipo de investigación de MSL. En el desarrollo de su actividad investigadora ha participado en 4 campañas antárticas, en tres de las cuales participó en proyectos sobre la distribución y evolución del permafrost y su papel como indicador del cambio climático. En su última campaña (2018-19), instaló el Observatorio de Rayos Cósmicos Antárticos en la Base Juan Carlos I.