O que são raios cósmicos?

Apesar do nome, raios cósmicos não são raios. São partículas: pedaços de átomo, quase sempre o caroço de um átomo de hidrogênio, viajando pelo espaço a velocidades próximas à da luz. Segundo a NASA, cerca de 90% deles são núcleos de hidrogênio — ou seja, prótons soltos —, cerca de 9% são núcleos de hélio e todo o resto da tabela periódica junta forma apenas 1%.

O nome pegou porque, quando foram descobertos em 1912, ninguém sabia o que eram. Pareciam uma radiação penetrante vinda de cima, e "raio" era a palavra disponível. Ficou errado e ficou para sempre.

E sim: enquanto você lê isto, partículas nascidas dessas colisões estão atravessando o seu corpo. Isso é normal, acontece desde sempre e não é motivo para preocupação — mas é uma das coisas mais difíceis de resolver para quem quer mandar gente a Marte.

Não são raios, são caroços de átomo

Um átomo tem um núcleo, com prótons e nêutrons, e elétrons em volta. Arranque os elétrons e sobra o núcleo: um caroço com carga elétrica positiva.

É isso que um raio cósmico é, na esmagadora maioria dos casos. Um caroço de átomo arremessado pelo espaço com uma energia absurda.

Dentro daquele 1% há de tudo: carbono, oxigênio, ferro. Quanto mais pesado o elemento, mais raro ele é, e a NASA registra que os mais pesados que o ferro são significativamente raros.

A diferença entre um raio cósmico e um átomo comum não está no que ele é, mas em quão rápido vai. O hidrogênio de um copo d'água e um raio cósmico de hidrogênio são a mesma coisa; um está parado e o outro viaja quase à velocidade da luz. A analogia honesta é a de um tijolo: parado na calçada, é um tijolo; arremessado de um prédio, é outro assunto. A matéria é igual, a energia é que muda tudo.

De onde eles vêm

A maior parte dos raios cósmicos que chegam aqui nasce de explosões de estrelas.

Quando uma estrela grande morre, ela explode como supernova e lança uma onda de choque pelo espaço — um empurrão violento que varre o gás em volta por milhares de anos. É dentro dessa onda que as partículas ganham velocidade, e o mecanismo é engenhoso: a partícula fica presa no campo magnético da região, atravessa a frente de choque de novo e de novo, e em cada travessia ganha cerca de 1% da energia que já tinha.

Um por cento é pouco. Mas ganho sobre ganho, "dezenas a centenas de travessias" depois, como descreve a NASA, a partícula já está com energia suficiente para escapar e sair pela galáxia.

É exatamente a mecânica dos juros compostos. Um por cento ao mês não faz diferença num mês; em menos de seis anos, dobra o dinheiro. A partícula faz a mesma conta, só que com velocidade — e o que sobra do fim de uma estrela é o assunto de O que sobra quando uma estrela morre?.

Há um porém honesto: isso explica a maioria, não todos. Existem raios cósmicos com energias altas demais para qualquer remanescente de supernova produzir, e a origem deles continua em aberto. As hipóteses em discussão incluem núcleos de galáxias ativas e explosões de raios gama. Ninguém sabe, e a NASA diz isso com todas as letras.

Rastrear a origem é difícil por um motivo específico: como são partículas com carga elétrica, os campos magnéticos da galáxia, do Sistema Solar e da própria Terra entortam o caminho delas pelo trajeto inteiro. Quando um raio cósmico chega aqui, a direção de onde ele veio já não aponta mais para a casa dele.

Como descobrimos que vinham de cima

Em 1912, o físico austríaco Victor Hess, da Universidade de Viena, subiu de balão com dois assistentes até cerca de 16 mil pés — uns 4.900 metros, mais alto que qualquer montanha do Brasil.

O que ele foi medir era um mistério da época: instrumentos detectavam uma radiação de fundo em todo lugar, e a suspeita era que viesse do solo, de materiais radioativos naturais. Se fosse isso, subir deveria diminuir a leitura, porque você se afasta da fonte.

Aconteceu o contrário. Quanto mais alto, maior a radiação. A conclusão de Hess foi a única possível: ela vinha de fora da atmosfera. Ele ainda descartou o Sol como fonte principal, porque a medição não mudava entre o dia e a noite.

Hess recebeu o Nobel de Física de 1936 por isso. E a descoberta tem um detalhe bonito: um sujeito num balão, com um instrumento de medir carga elétrica, provou a existência de algo que vinha de supernovas a milhares de anos-luz.

Depois dele, a medição foi subindo junto com a tecnologia. O próprio histórico da NASA registra a escalada:

Repare no salto de 1912 para 1947: de um balão a 4.900 metros para balões a quase 39 quilômetros, em 35 anos. E depois a mudança de categoria — a partir dos satélites, deixou de ser preciso furar a atmosfera, porque o instrumento passou a morar do lado de fora dela.

O que acontece quando um deles bate no ar

Aqui está a razão pela qual você não precisa se preocupar.

Um raio cósmico que chega à Terra quase nunca toca o chão. Ele colide com uma molécula de ar lá em cima, e dessa colisão nasce um chuveiro de partículas secundárias — a NASA usa exatamente esse termo — que se espalha para baixo como um cone invisível. É uma batida de bilhar em cadeia: uma bola rápida acerta um amontoado e o que continua descendo é um monte de bolinhas mais lentas.

Parte desse chuveiro chega ao solo. É por isso que um detector no nível do mar registra partículas o tempo todo, mesmo com toda a atmosfera por cima.

Por que você não sente nada

Dois escudos trabalham a seu favor, e os dois são invisíveis.

O primeiro é o campo magnético da Terra. Como os raios cósmicos têm carga elétrica, o campo os desvia antes mesmo de chegarem ao ar — é o mesmo escudo que, quando enfraquece, deixa passar mais partículas, como explicamos em A inversão dos polos magnéticos vai acontecer?.

O segundo é a atmosfera, e esse é o pesado. A coluna de ar sobre a sua cabeça tem a mesma massa de uma camada de água de cerca de dez metros. Nenhum raio cósmico atravessa isso inteiro.

Duas consequências práticas, e as duas são verdadeiras:

• Quem mora ou voa mais alto recebe mais. Num voo de longa distância, você está acima de boa parte dessa proteção.
• Quem sai da atmosfera perde os dois escudos de uma vez. É por isso que o assunto deixa de ser curiosidade e vira problema de engenharia em Quanta radiação um astronauta recebe de verdade?.

O problema que ninguém resolveu ainda

Fora da atmosfera, raio cósmico é o obstáculo mais teimoso das viagens longas — e teimoso é a palavra certa, porque a solução óbvia não funciona.

Contra partículas do Sol, blindar resolve: alumínio e plástico cortam boa parte da dose. Contra os raios cósmicos galácticos, não. Eles têm energia tanta que, ao atravessar a blindagem, espatifam os núcleos dos átomos dela e produzem um segundo chuveiro de partículas do outro lado da parede. Em certos casos, mais parede significa mais radiação, não menos.

É um problema sem solução conhecida por força bruta. Por isso as ideias sérias atacam o tempo de exposição em vez da parede: ir mais rápido, ficar menos. O mesmo raciocínio aparece quando se discute abrigar uma base lunar debaixo da rocha, em Tubos de lava da Lua: as cavernas da futura base.

O Brasil tem um lugar especial nessa história

Tem, e não é motivo de orgulho nem de medo: é geografia magnética.

Sobre o Atlântico Sul e boa parte do Brasil existe uma região onde o campo magnético da Terra é mais fraco do que em qualquer outro lugar do planeta. Ali, o primeiro escudo protege menos, e partículas carregadas chegam mais fundo na atmosfera do que chegariam na mesma latitude em outro continente.

Quem sente isso não é você, no chão — a atmosfera continua fazendo o trabalho dela. Quem sente são os satélites, que atravessam a região e precisam desligar instrumentos para não queimar eletrônica. Essa mancha tem nome, tamanho medido e vigilância permanente, e está contada em O que é a Anomalia Magnética do Atlântico Sul?.