Crédito: Gypher

Muito se fala dos raios cósmicos como sendo a principal causa de morte para os humanos no Espaço. Efectivamente eles são os responsáveis pelas limitações actuais para se poder lançar viagens de longo curso. Estes raios são altamente energéticos e com carga, pelo que  ao atravessarem qualquer tipo de matéria que possamos colocar no Espaço, provocam danos. E mais: ao chocarem com fuselagem da nave, podem provocar radiação secundária, também esta nociva para os humanos.

Se um ser humano estiver numa nave espacial convenientemente blindada, estes raios podem provocar alterações de ADN, e consequentemente o cancro, problemas neurológicos e descalcificação dos ossos.

Raios Cósmicos Primários

Os raios cósmicos primários são uma chuva muito fininha de partículas com carga, que bombardeiam a atmosfera terrestre continuamente como lhes chamou Cecil Frank Powell. Estes raios cósmicos primários são produzidos e acelerados em cenários Astrofísicos.

Crédito Auger Observatory

No topo da atmosfera terrestre os raios cósmicos primários são constituídos por partículas que nos são familiares: maioritariamente por protões, cerca de 10% por partículas alfa (núcleos com dois protões e dois neutrões) e uma pequena percentagem núcleos mais pesados como núcleos de Carbono e Oxigénio. Para além disso, também são constituídos por outras partículas como os electrões.

A energia de uma partícula pode ser medida em electrões-Volt (eV); isto é a energia que um electrão ganha quando é acelerado por uma diferença de potencial eléctrico de 1V.

Os raios cósmicos primários têm uma gama de energia elevadíssima…

A gama de energias dos raios cósmicos primários é enorme …. Varia desde 1 00 000 000 eV (ou 0.1 Giga eV) podendo ir até 1 000 000 Giga eV por partícula!!! São as partículas com maior energia, conhecidas.

Esta energia corresponde à energia de uma bola de ténis de 50 gramas lançada com uma velocidade de 90 Km por hora. No caso da bola de ténis, a energia está distribuída por todas as partículas que a constituem.

O importante nisto, e que faz a grande diferença, é a de que no caso dos raios cósmicos a energia está concentrada numa única partícula ou núcleo.

Os raios cósmicos de mais baixa energia são os mais frequentes (em média 1 partícula com 1 GeV atravessa uma área de 1 metro quadrado por segundo).

Os raios cósmicos com energia mais elevada são muito raros, em média 1 partícula com uma energia que é equivalente a 10 vezes àquela que é produzida no centro de massa do LHC  (Large Hadron Collisor, no CERN), atravessa uma área de 1 kilómetro quadrado num ano!!!). O estudo e detecção destes raios cósmicos ultra-energéticos é pois, muito difícil e complexo, sendo feito de uma forma indirecta.

Na realidade também produzimos artificialmente raios cósmicos na Terra… Consegue-se fazer acelerar um protão no Grande Acelerador de Hadrões (Large Hadron Collisor, LHC) no CERN, mas com energia muito inferior ao máximo de energia dos raio cósmicos. Igualmente núcleos também são acelerados, com elevadas energias por partícula no FAIR.

O lado bom dos raios cósmicos…

Apenas uma pequena fracção dos raios cósmicos primários chega á superfície terrestre. Os raios cósmicos menos energéticos são em grande parte capturados pelo campo magnético terrestre, ou defletidos para os polos.

Ao encontrarem a atmosfera transferem energia para os átomos que depois emitem essa energia na forma de luz (azul no caso do Nitrogénio, verde ou encarnado no caso do Oxigénio) dando origem aos espectaculares efeitos de cor conhecidos como Aurora Borealis (Northen lights) e Aurora Australis (Southern Lights).

E há Raios cósmicos secundários

Como aparece a radiação cósmica secundária? 1- Os protões energéticos dos raios cósmicos primários, chegam ao topo da atmosfera da Terra. 2- Ao penetrar a atmosfera,  colidem com os núcleos das moléculas da atmosfera. 3- Essa colisão origina uma produção em cascata de partículas, núcleos e fotões. 4- Essa produção em cascata é constituída  por núcleos leves (como isótopos de Carbono) e por um ZOO partículas elementares (ou grande diversidade de partículas e fotões, ou seja os chamados raios cósmicos secundários. 

Alguns destes raios cósmicos secundários conseguem chegar à superfície terrestre podendo ser detectados. As partículas com massa detectadas, são essencialmente electrões e muões (“electrões pesados”, com duzentas vezes a massa do electrão).

Crédito: Stephen A. Bul

O lado adverso dos raios cósmicos …

Os raios cósmicos têm como acabamos de ver um verso muito atractivo. O seu estudo tem um grande interesse científico por nos abrir janelas para a compreensão do Universo. Proporcionam-nos igualmente espectáculos naturais de beleza estética única.

Mas os raios cósmicos também apresentam um reverso “adverso”… E vejamos porquê!

Os raios cósmicos primários fazem do espaço livre um ambiente particularmente hostil para viagens de longa duração, podendo causar efeitos biológicos muito nefastos, nomeadamente mutações do DNA com um aumento significativo da probabilidade de contracção de várias doenças cancerígenas e neurológicas.

O planeta Marte não possui um campo magnético como o da Terra. Acresce que este planeta  tem uma atmosfera muito fina, pelo que os astronautas no Planeta Vermelho não estão protegidos contra os raios cósmicos, como estão na Terra.

Onde são produzidos os raios cósmicos ?

A determinação da origem dos raios cósmicos primários, é um grande desafio. De facto, dado que são constituídos por partículas com carga, isto faz com que sejam desviados das suas trajectórias pela presença de campos magnéticos no Espaço, dificultando por isso a determinação da sua origem. Por exemplo:

Os raios cósmicos podem ter origem no nosso Sol…

Mas os raios cósmicos com energias elevadas, tem sido um mistério desde a sua descoberta. Estes raios cósmicos são produzidos em Supernovas e noutros cenários Astrofísicos dentro e fora da nossa galáxia.

Como foram descobertos os raios cósmicos?

Os raios cósmicos foram descobertos no início do século XX pelo Físico Austríaco Victor Hess, que pretendia compreender a origem da radiação ionizante. Mais precisamente, Hess queria saber se a radiação ionizante vinha da Terra ou do Espaço. Para isso realizou experiências com balões, para medir a radiação ionizante na atmosfera.

Crédito: Instituto Argentino de Radioastronomia

Hess verificou que a radiação ionizante aumentava com a altitude contrariamente ao que era esperado, pois pensava-se que a Terra era a fonte da radiação ionizante. Mais ainda, verificou que durante o eclipse quase total do sol que a radiação não diminuía.

Hess concluiu então que deveria existir uma fonte da radiação fora do Sol. Com as suas experiências V.F. Hess descobriu assim os raios cósmicos, ganhando em 1936 o prémio Nobel da Física pela sua descoberta, em conjunto com C. Anderson pela descoberta do positrão ( a primeira anti-partícula, medida!).

***Aceite a sugestão do Bit2Geek e leia Verso ou Reverso da Radiação (Parte I)

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Doutorada em Física Nuclear Teórica pela Universidade de Surrey, Reino Unido, e é actualmente Professora do Departamento de Física do Instituto Superior Técnico. Trabalha como cientista em Física Nuclear Teórica, Teoria das Reacções Nucleares, núcleos exóticos produzidos por feixes de iões radioactivos e reacções de interesse Astrofísico. Foi Membro do INTC (2015-2017) (ISOLDE and Neutron Time-of-Flight Experiments Committee). O Laboratório ISOLDE destina-se à produção de feixes de iões radioactivos a baixas energias para aplicação no domínio da Física Nuclear e Atómica, bem como das Ciências dos Materiais e da Vida. Foi membro do Comité Científico R3B/Nustar/FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe), um novo laboratório internacional (International Acelerator Facility), destinado entre outros a estudar a estrutura da matéria e a evolução do Universo.. Autora e Co-Autora de cerca de 100 publicações científicas em revistas internacionais e edições especiais com referee. Participou em 19 projectos científicos financiados (8 como investigadora principal) e como convidada em diversas palestras internacionais. Membro Internacional de comités de Conferências em Física Nuclear.