La página web del Observatorio Pierre Auger menciona la detección de un rayo cósmico de 3E20 eV (48 J) cuya energía, muy por encima del corte GZK, se basó en un análisis de su lluvia atmosférica. Esto equivalía a la energía cinética de una pelota de béisbol con una velocidad de 79,5 m/s o 177 mph. Por supuesto, los rayos cósmicos con energías tan elevadas son extremadamente raros. ¿Qué tipo de daños se producirían si un astronauta o un vehículo espacial se encontraran con un rayo cósmico de este tipo? ¿En qué se diferenciaría el daño de la hipotética pelota de 79,5 m/s?
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aceinthehole
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Los rayos cósmicos de ultra alta energía provienen todos de muy, muy lejos (cualquier cosa con el poder de crearlos cerca constituiría un peligro para la vida tal como la conocemos). Creo que el mecanismo preferido actualmente es la aceleración dinámica en los chorros formados por los núcleos galácticos activos, pero no me cites.
De todos modos, aunque sean ultrarrelativistas, eso significa que son partículas estables. En su mayoría protones, de hecho.
Cuando un protón de altísima energía atraviesa una cantidad modesta de materia, como un astronauta, podemos modelar su pérdida de energía de forma muy sencilla. El gráfico del Libro de Datos de Física de Partículas, en realidad no llega lo suficientemente alto, pero podemos extrapolar y decir que la pérdida de energía sigue siendo menor que $10\text{ MeV/g/cm}^2$ . Nuestro astronauta tiene una densidad bastante cercana a $1\text{ g/cm}^3$ y un espesor medio (teniendo en cuenta todas las relaciones de aspecto) de unos 50 cm. Por tanto, la energía total que cabe esperar es de sólo 500 MeV.
Es radiación ionizante, por supuesto, pero no cualitativamente diferente del resto del fondo cósmico.
Si la nave espacial es una lata pequeña de paredes finas con un poco de aire dentro, la situación es sólo un poco peor. Hay más posibilidades de ducharse. Pero es sólo una dosis más alta, en lugar de ser una muerte espectacular.
eddiegroves
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Estos son raros, del orden de uno por milla cuadrada por siglo. Véase _Rayo cósmico de ultra alta energía_ (Wikipedia). Así que un ser humano, con un área transversal inferior a 1 metro cuadrado, podría recibir un impacto aproximadamente una vez cada 100 millones de años. Creo que el riesgo de vida debido al mal funcionamiento de las naves espaciales es significativamente mayor que esto.
Y cuando llegan a la atmósfera terrestre, gastan su energía en toda la profundidad de la atmósfera. No hay una sola región que se vea afectada. (De lo contrario, se habrían detectado mucho antes, por el sonido del aire que se sobrecalienta). El espesor de la atmósfera, en términos de masa equivalente de agua, es de unos 10 metros de agua. Esto es mucho más grueso que la distribución del peso equivalente de una nave espacial. Por lo tanto, mi conclusión es que si una nave espacial es golpeada por uno, la mayor parte de la energía saldrá por el lado más lejano de la nave.
Por otro lado, los rayos cósmicos de todo tipo pueden dañar la electrónica. Pueden cambiar los unos por los ceros o viceversa, y yo pensaría que un rayo de tan alta energía como éste podría realmente dañar un componente.
Para examinar de forma realista las naves espaciales en cuanto a cómo actúan los rayos cósmicos en ellas, es útil utilizar los números de una nave espacial real. Además de una fina carcasa de metal, una nave espacial también tiene un depósito de gas, un depósito de combustible y un lugar para ir al baño. Y una nave espacial debe estar construida de forma robusta aunque no tenga que aterrizar en la tierra. Son objetos grandes y pesados.
Por ejemplo, el Estación Espacial Internacional (ISS) pesa 375.000 kg y tiene un volumen presurizado de 907m^3:
Así, su densidad es de 375.000/907 = 413 kg/m^3 casi la mitad de la del agua, y tiene una distancia entre colisiones inelásticas de unos 3,7 cm.
La mayor parte de la nave espacial está formada por los paneles solares. Sin embargo, como cualquier otra materia nuclear, éstos generarán cascadas cuando sean alcanzados por un rayo cósmico. La longitud de la nave (a lo largo de su compartimento para la tripulación) es de 51 metros. Con el volumen presurizado, si fuera un cilindro su diámetro sería de unos 4,8 metros.
Con una distancia de 51 metros y una densidad de 0,41 la del agua, la dimensión larga en la ISS equivale a 20 m de agua. Esto es el doble de la profundidad de la atmósfera terrestre. La distancia corta equivale a unos 2 m de agua o a una quinta parte de la atmósfera terrestre. Esto es suficiente para que se produzca un chaparrón.
Estos cálculos son el peor de los casos, ya que han imputado todo el peso de la nave al volumen presurizado. Un cálculo más preciso implicaría una nave espacial que no tuviera los paneles solares. Un ejemplo de ello sería el orbitador del transbordador espacial estadounidense. Con carga útil, pesa 93.000 kg (peso máximo de aterrizaje: 104.000 kg). La longitud es de 37 m con una envergadura de 24 m. El diámetro del compartimento principal de la tripulación parece ser de unos 7 m.
Suponiendo que la nave sea un cilindro de 37 m de longitud y 7 m de diámetro, su volumen es de unos 1.400 metros cúbicos y su densidad es de unos 74 kg/m^3. Por tanto, una partícula que recorra la longitud de la nave se encontrará con unos 37 m x 74 kg/m^3 = 2,7 metros de agua equivalente. A un cuarto del espesor de la atmósfera terrestre, esto es suficiente para que se produzca una buena cascada.
Anna v señala que el área de la sección transversal (inelástica) para una colisión protón-protón de energía extremadamente alta es sólo de alrededor de 1 granero o 1,0E-28 m^2. En realidad, su artículo (1984) da 530 mb, pero a energías muy altas, la sección transversal es desconocida y podría superar un granero, véase la figura (4):
Nucl.Phys.Proc.Suppl.196:335-340 (2009), Ralf Ulrich, Ralph Engel, Steffen Müller, Fabian Schüssler, Michael Unger Sección transversal de Proton-Air y amplias duchas de aire
http://arxiv.org/abs/0906.3075
La masa del protón es de aproximadamente 1,6E-27 kg, y un metro cúbico de agua pesa 1000 kg (casi en su totalidad nucleones, es decir, protones y neutrones). Por tanto, hay 1000/1,6E-27 = 6,25E+29 nucleones por metro cúbico de agua. Si se multiplica por el área de la sección transversal, se obtiene un área total de la sección transversal/m^3 de 62,5 m^2. Por lo tanto, la distancia a la que un protón comienza una cascada, en el agua, es de aproximadamente 1/62,5 m = 1,6 cm, y para cuando la partícula ha salido del cuerpo humano 50 cm después, ha tenido unas 31 colisiones de este tipo. Por tanto, el tamaño del cuerpo humano es suficiente para iniciar una cascada de rayos cósmicos.
En una nave espacial práctica de larga distancia, es importante proteger a la tripulación de los rayos cósmicos y las erupciones solares. Una de las propuestas para hacerlo es con escudos compuestos por 7 kg de aluminio por metro cuadrado, lo que supone unos 0,7 cm de espesor equivalente en agua: http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701314 Por lo tanto, hay un 50% de probabilidades de que un rayo cósmico de alta energía inicie una cascada al atravesar este espesor.
Hay que tener en cuenta también que es la partícula, y no la lluvia, la que atraviesa al astronauta en la estimación de dmckee de arriba, donde trata la partícula relativista atravesando la materia.
La lluvia en su pregunta que dio la estimación de la energía de la partícula madre se genera por colisiones en cascada/secuenciales de dispersión de ángulo profundo en una trayectoria larga. La energía no se libera de una sola vez, a menos que el astronauta tenga muy mala suerte.
La inelástica profunda sección de dispersión a esas energías todavía no llega a los valores de un granero (un granero es del tamaño de un núcleo de uranio), por lo que el astronauta tendría que tener muy mala suerte incluso para conseguir una dispersión energética y mucho menos para iniciar una lluvia.
