12 curiosidades sobre los rayos gamma que parecen imposibles

Puntos clave

• Paul Villard identificó en 1900 una emisión muy penetrante procedente del radio, y Ernest Rutherford acuñó el término «rayos gamma» en 1903.
• La cirugía con bisturí de rayos gamma (gamma knife) se concibió en la década de 1950 y se construyó por primera vez en 1967. Concentra 201 haces finísimos (192 en los equipos actuales) sobre una diana cerebral. El tejido sano cercano recibe una fracción minúscula.
• En 1994 el Observatorio de Rayos Gamma Compton registró potentes ráfagas de rayos gamma procedentes de la Tierra. Las producían los potenciales eléctricos del interior de las nubes de tormenta.
• Los estallidos cósmicos de rayos gamma se descubrieron en la década de 1960 con satélites construidos para vigilar pruebas secretas de armas nucleares.
• El plomo reduce a la mitad un haz estrecho de Cs-137 a 662 keV con 5,54 mm. El hierro necesita 12 mm y el agua 80,8 mm.

Los rayos gamma ocupan la parte de mayor frecuencia del espectro electromagnético. Otras radiaciones tienen mayor longitud de onda, como las microondas, las ondas de radio, el infrarrojo, la luz visible y el ultravioleta. Frente a ellas, los rayos gamma transportan fotones con mucha más energía e interactúan de otra manera con la materia.

El descubrimiento de la radiación gamma se remonta a 1900. Ese año, el científico francés Paul Villard identificó una emisión desconocida y muy penetrante procedente del radio [1]. El físico británico Ernest Rutherford acuñó el término «rayos gamma» en 1903 para designar esta radiación invisible pero poderosa [2].

Estos son 12 datos asombrosos que arrojan luz sobre la fascinante ciencia de los rayos gamma:

1. Un poder de penetración extremo

Una de las cosas más increíbles de los rayos gamma es su enorme capacidad para atravesar la materia. La radiación gamma de alta energía puede cruzar materiales densos que bloquean con facilidad otras formas de luz. Por ejemplo, los rayos gamma pueden atravesar barreras de más de 20 centímetros de grosor de metales duros como el hierro y el cobre.

Los muros de hormigón convencionales sí atenúan los rayos gamma, pero mucho menos que el plomo. Reducir un haz intenso a niveles seguros suele requerir muchas decenas de centímetros de hormigón. Por eso el hormigón grueso es el material de blindaje habitual alrededor de los reactores nucleares. Una pared corriente, en cambio, solo reduce de forma modesta la intensidad gamma. En las condiciones adecuadas, las fuentes gamma potentes podrían impresionar una película fotográfica al otro lado de edificios considerables.

Este notable poder de penetración se debe a cómo interactúan con la materia. Los fotones gamma atraviesan la materia chocando con núcleos atómicos o con electrones orbitales. Así transfieren cantidades enormes de energía a partículas que salen despedidas hacia delante. Sin embargo, en cada choque de este tipo el fotón suele ceder solo una parte de su energía. Entre un choque y otro avanza sin alteración.

El efecto acumulado de ir depositando energía va desgastando al rayo gamma. Solo queda atrapado tras múltiples episodios de dispersión. Como resultado, la mayor parte de la radiación gamma atraviesa sin más los materiales voluminosos si no hay capas de blindaje denso y considerable. Solo un blindaje grueso, como el plomo, el acero o muchas decenas de centímetros de hormigón, puede detener de forma fiable una radiación gamma potente.

2. Cirugía cerebral sin bisturí

Gracias a la capacidad de la radiación gamma para penetrar a fondo en los tejidos, hoy los médicos emplean rayos gamma a medida. Los usan para tratar determinadas enfermedades del cerebro. Los haces gamma que se cruzan concentran una dosis de radiación excepcionalmente alta justo donde hace falta. Al mismo tiempo minimizan los efectos negativos. Así, la «cirugía con bisturí de rayos gamma» permite destruir tumores y otras anomalías, o frenar su crecimiento. Todo ello sin necesidad de cortar físicamente este órgano tan delicado.

En los modelos clásicos, unos dispositivos muy complejos concentran 201 haces de rayos gamma finísimos (192 en los equipos actuales) sobre la zona deseada. La abrasan con una dosis de radiación capaz de matar el tejido enfermo. Mientras tanto, las partes sanas del cerebro cercanas reciben solo una fracción minúscula de la radiación.

La cirugía con bisturí de rayos gamma se concibió en la década de 1950 y se aplicó por primera vez con un equipo de rayos gamma en 1967. Ha evolucionado con los años hasta ofrecer una terapia no invasiva extremadamente precisa. Es útil para un órgano en el que los escalpelos convencionales se enfrentan a enormes obstáculos.

3. Cazar a los tramposos de las armas nucleares

Durante la Guerra Fría, Estados Unidos lanzó los satélites Vela para vigilar posibles pruebas nucleares soviéticas encubiertas. Iban equipados con detectores de rayos gamma. Estas naves eran capaces de detectar los potentes destellos de radiación gamma que causan las explosiones nucleares. Sin embargo, los satélites Vela descubrieron algo que los militares no esperaban encontrar. Eran breves y potentes ráfagas de rayos gamma procedentes de regiones del espacio aparentemente vacías. Los científicos acabaron determinando que aquellas señales desconcertantes se debían a explosiones cósmicas de enorme intensidad y no a armamento soviético.

El primer estallido se registró el 2 de julio de 1967. Sin embargo, el equipo de Los Álamos no publicó el descubrimiento hasta 1973, después de descartar la Tierra y el Sol como origen. La detección de radiación gamma desde el espacio nació para verificar un tratado de prohibición de pruebas nucleares. Aun así, abrió un campo inesperado de la astrofísica fundamental.

4. Estrellas muertas que giran barren el espacio con haces gamma como faros

Un tipo de generador celeste de rayos gamma son las estrellas de neutrones, los restos densos de estrellas que ya se han consumido.

Debido a la acumulación previa de materia, algunas estrellas de neutrones mantienen una rotación increíblemente rápida. Giran cientos de veces por segundo. Además, en muchas estrellas de neutrones los polos magnéticos no están alineados con el eje de giro. Con estas condiciones, la estrella de neutrones gira y lanza hacia fuera haces cónicos de radiación gamma. Son como el foco rotatorio de un faro.

Los astrónomos detectan con regularidad pulsos deslumbrantes de rayos gamma procedentes de estos objetos. Ocurre cuando uno de esos haces cruza nuestra línea de visión desde la Tierra. Los astrofísicos llamaron «púlsares de rayos gamma» a estas balizas intermitentes de luz de alta energía. El periodo de rotación de estos restos estelares densos se sigue con precisión midiendo el tiempo de las pulsaciones gamma. Algunos púlsares giran a gran velocidad. Con un radio típico de estrella de neutrones de unos 10 kilómetros, el material cercano a su ecuador se mueve a cerca del 15 % de la velocidad de la luz.

5. Las tormentas aceleran partículas hasta energías de rayos gamma

En 1994, los científicos quedaron atónitos. Los instrumentos del satélite Observatorio de Rayos Gamma Compton registraron ráfagas de fotones intensos y de alta energía. Golpeaban la nave desde la Tierra y no desde el espacio profundo.

Los investigadores estuvieron perplejos. Después descubrieron que esas ráfagas gamma terrestres se producían en el interior de nubes de tormenta electrificadas. Pero ¿cómo puede un fenómeno meteorológico tan violento producir una radiación tan intensa? Los investigadores determinaron que los elevados potenciales eléctricos del interior de las nubes de tormenta actúan como aceleradores naturales de partículas.

El rayo es una descarga eléctrica que avanza por un canal de aire ionizado y lo calienta hasta hacerlo brillar. Es menos conocido que los intensos campos eléctricos de la nube pueden acelerar electrones libres, muchos de ellos arrancados del aire por los rayos cósmicos, hasta casi la velocidad de la luz. A menudo sucede en los primeros instantes de una descarga dentro de la nube. Esos electrones rápidos chocan después con otros átomos. Eso produce una lluvia de nuevas partículas veloces y más colisiones entre electrones y átomos.

Este mecanismo en cascada acaba acelerando algunos electrones a energías muy altas. Cuando los núcleos del aire los desvían, radian parte de su energía en forma de brillantes destellos de rayos gamma (radiación de frenado). Así, las nubes de tormenta funcionan como generadores naturales y temporales de rayos gamma dentro de la atmósfera terrestre.

6. Los rayos gamma permiten que los núcleos excitados se «desexciten»

Los núcleos radiactivos que experimentan una desintegración alfa o beta no siempre acaban en su estado de menor energía. El núcleo residual permanece con frecuencia durante un breve periodo en lo que los físicos llaman un estado excitado, con energía de más. Estos núcleos excitados se deshacen enseguida de ese excedente para volver a su estado fundamental. ¿Con qué mecanismo libera energía un núcleo energizado?

Una vía es emitir la energía sobrante en forma de un paquete de ondas electromagnéticas de alta energía, un fotón de rayo gamma. Esta emisión de desexcitación es parecida al chapoteo y a las gotas de agua visibles que produce un saltador olímpico de plataforma al caer en la piscina. Antes ha girado en el aire después de un salto desde la tabla elevada. El chapoteo indica que el saltador ha gastado energía y ha alcanzado el equilibrio en el agua. Las emisiones gamma nucleares, como el saltador, indican que unos restos atómicos excitados se desprenden de energía. Lo hacen para relajarse hasta su estado estable ideal tras un «salto» a un estado inferior mediante una desintegración alfa o beta.

7. Cuando la materia se encuentra con la antimateria, solo quedan rayos gamma

Los físicos estudian sobre todo la antimateria en los detectores de sus instrumentos, como los positrones. Aun así, en ciertas zonas del espacio existe antimateria natural. Por eso, un electrón negativo corriente que viaja por el universo se topará de vez en cuando con su antipartícula positiva. Cuando los opuestos se atraen y un electrón choca con un positrón, se produce un enorme destello. En él las partículas originales desaparecen y toda su masa se convierte en energía fotónica pura, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2.

Como el electrón y el positrón tienen cada uno una energía en reposo de 0,511 MeV, su aniquilación en reposo produce dos fotones gamma de 0,511 MeV cada uno. Se emiten en sentidos opuestos para conservar la energía y el momento. Las explosiones nucleares también liberan intensas ráfagas de rayos gamma. Lo hacen mediante reacciones de fisión y fusión y la desintegración de sus productos radiactivos, no por aniquilación de materia y antimateria.

8. La fuente oculta del calor de la Tierra

¿Qué permite a la Tierra mantener mares de agua líquida, nubes y lluvia, necesarios para la vida? El Sol, sin duda, impulsa este ciclo hidrológico al calentar nuestro planeta. Y el proceso nuclear que alimenta a nuestra estrella madre libera parte de su energía en forma de radiación gamma. El núcleo del Sol arde al fusionar núcleos de hidrógeno en helio, más pesado, dentro de un caldero de plasma a 15 millones de grados. La cadena protón-protón que fusiona hidrógeno en helio se desarrolla en varios pasos. Los fotones gamma que emite no comparten una única energía característica. La reacción que forma helio-3, por ejemplo, libera un rayo gamma de unos pocos MeV. Algunas ramas de la cadena añaden fotones de otras energías. La línea fija de 0,511 MeV pertenece a la aniquilación electrón-positrón, descrita en otro apartado de este artículo.

Ninguno de estos rayos gamma llega directamente a la superficie solar. La materia densa del interior absorbe y vuelve a emitir su energía una y otra vez. Esa energía tarda del orden de cien mil años en abrirse paso hacia fuera. Por el camino se reparte entre fotones cada vez menos energéticos. Por eso, cuando alcanza las capas externas, más frías, del Sol, sale sobre todo como luz visible e infrarroja. En definitiva, la luz solar que calienta la atmósfera y los mares de la Tierra y alimenta la vida procede de la energía liberada por la fusión nuclear en el núcleo del Sol. Parte de esa energía nace como rayos gamma.

9. ¿Qué hay en un nombre? El legado de Ernest Rutherford

¿Quién dio su nombre duradero a estos rayos invisibles pero muy penetrantes que emiten los compuestos radiactivos? Ernest Rutherford, un científico pionero de principios del siglo XX, creó el término «rayos gamma» en 1903. Rutherford observó tres formas de emanaciones de la materia radiactiva. Las partículas alfa, con carga, tienen el menor alcance. Solo los campos eléctricos o magnéticos intensos logran desviarlas. Los rayos beta penetraban más antes de ser absorbidos y un imán los desviaba con facilidad.

Pero una tercera radiación invisible persistía incluso a través de espesores considerables de material. Su naturaleza fue al principio un misterio. Rutherford bautizó como rayos gamma, por la tercera letra (Γ) del alfabeto griego, a las emisiones más enigmáticas y aparentemente casi inmateriales. Más de una década después, nuevos trabajos revelaron que los rayos gamma son una forma de ondas electromagnéticas. Son la forma de mayores frecuencias y energías de ese espectro más amplio de radiación. Hoy sabemos que muchos de los productos hijos emiten fotones gamma energéticos. Proceden de las largas series de desintegración de los elementos pesados e inestables, como el uranio y el torio.

Rutherford no pudo prever la investigación moderna sobre los rayos gamma. Aun así, seguimos usando su previsión al nombrar la forma más penetrante de radiación radiactiva.

10. Estallidos cósmicos de rayos gamma

Los fenómenos astronómicos de alta energía más deslumbrantes e intrigantes son los estallidos de rayos gamma. Son destellos intensos que duran desde milisegundos hasta unos minutos. Estas gigantescas explosiones efímeras se descubrieron en la década de 1960 gracias a satélites que vigilaban armas nucleares. En su breve duración pueden liberar tanta energía como la que el Sol emitirá en toda su vida. Llegan desde direcciones aleatorias del cielo y, desde 1997, sus resplandores residuales las sitúan en galaxias lejanas. Las distancias extragalácticas descartan explicaciones basadas en estrellas de neutrones o agujeros negros de nuestra Vía Láctea.

Su brevedad hizo dudar al principio de las teorías que los vinculan con las supernovas, que pueden verse durante meses. Sin embargo, desde 1998 varios estallidos largos se han asociado a supernovas concretas. Entre los modelos propuestos para su origen figuraron la colisión de estrellas de neutrones y la evaporación de agujeros negros. También figuraron los chorros relativistas de las hipernovas, las supernovas más energéticas. Los complejos efectos relativistas que rodean a estos sucesos aún dificultan precisar los detalles. Los dos mecanismos principales de activación están hoy bien establecidos. Los estallidos largos de rayos gamma surgen del colapso del núcleo de estrellas masivas («colapsares»). Los cortos surgen de la fusión de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro. Esto se confirmó en 2017, cuando el suceso de ondas gravitacionales GW170817 se observó junto con un estallido de rayos gamma procedente de la fusión de dos estrellas de neutrones. Algunos detalles del motor central que alimenta el chorro siguen siendo objeto de investigación activa. Los nuevos estudios gamma de estos fenómenos cataclísmicos continúan precisando esos detalles.

11. Cómo atrapar una luz que atraviesa los detectores

Intentar desarrollar telescopios para vigilar una radiación gamma potente que penetra la mayoría de los materiales parecía al principio una locura. Al fin y al cabo, los rayos gamma de mayor energía atraviesan casi cualquier sustancia sólida, incluido un posible telescopio o detector. Entonces, ¿cuál es el secreto para captar destellos de fotones gamma? Es poco probable que los rayos gamma queden retenidos en un solo elemento del detector. Sin embargo, de vez en cuando chocan y transmiten una enorme energía a partículas que retroceden, como los electrones. En eso se basa el método.

Así, los detectores de rayos gamma captan la lluvia de partículas intensas de «ducha secundaria». Se produce cuando un impacto gamma directo, poco frecuente, sacude las partículas del sensor. Construir volúmenes de detección con espesores que maximicen las interacciones gamma probables permite una eficiencia razonable de captación de rayos gamma. Distintos sensores registran el paso o la energía depositada por estas lluvias de partículas secundarias.

Los centelleadores convierten estos choques gamma en ráfagas de luz visible o ultravioleta, que registran unos fotodetectores.

Los detectores semiconductores, como los cristales de germanio, funcionan como calorímetros de partículas. Suman las cargas de señal de los electrones generados. Así evalúan la energía de los rayos gamma incidentes que desencadenan esas cascadas de partículas secundarias.

12. Los rayos gamma iluminan los secretos del mundo subatómico

Sondear los misterios de la naturaleza de la materia exige observar cómo se comportan las partículas subatómicas exóticas. Lo mismo ocurre con la búsqueda de una física más allá del Modelo Estándar actual. Perseguir partículas hipotéticas como la materia oscura o las manifestaciones de la gravedad cuántica implica buscar sus interacciones características. Se rastrean entre los restos de las colisiones de partículas. Pero muchas partículas especulativas, como los neutralinos o los gravitones, no interactúan con la fuerza suficiente para detectarlas directamente con facilidad. Por fortuna, rastrear patrones inusuales de emisión gamma ofrece una vía de observación alternativa.

Cuando las partículas exóticas inestables se desintegran, suelen emitir radiación gamma que corresponde a atributos concretos de las partículas teorizadas. Los experimentos de física de altas energías rastrean los restos en busca de estas pistas gamma de la física que falta. Incluso las partículas inestables corrientes emiten energías gamma distintivas al desintegrarse, lo que permite identificarlas. De modo parecido, las búsquedas de física nueva, como la supersimetría, intentan comparar los rayos gamma medidos. Los puntos de referencia son los que cabría esperar de partículas especulativas propuestas pero aún sin descubrir. Aunque los rayos gamma impregnan la inmensidad del cosmos, la visión gamma puede revelar las verdades más ocultas del mundo cuántico.

Conclusión

Los rayos gamma son una radiación invisible y muy energética que impregna nuestro cosmos, desde la desintegración radiactiva hasta los cataclismos cósmicos. Su profunda capacidad de penetración dificulta la detección directa. Aun así, el ingenio observacional en la Tierra y en el espacio nos ha abierto los ojos a los procesos gamma. Ocurren por todo el universo y en nuestro propio planeta. El uso inteligente de la radiación gamma mejora la atención médica y la infraestructura industrial. También sirve para investigar los fundamentos de la física. Se esperan más hallazgos asombrosos sobre los rayos gamma y su papel en las explosiones estelares, la acreción de los agujeros negros, la física de la materia oscura, la gravedad cuántica y otros misterios cósmicos. El futuro parece prometedor para desvelar más secretos gamma bajo las maravillas de nuestro universo.

Referencias

• [1] P. Villard, C. R. Acad. Sci. Paris 130, 1010 (1900)
• [2] E. Rutherford, “The Magnetic and Electric Deviation of the Easily Absorbed Rays from Radium,” Philosophical Magazine, Series 6, Vol. 5, No. 26, 177 (1903)

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