I raggi cosmici sono minuscole particelle, per lo più protoni, che colpiscono l’atmosfera terrestre a vari livelli di energia. Miliardi di raggi cosmici colpiscono la Terra ogni secondo, la maggior parte con un’energia piuttosto bassa. Tuttavia, ogni tanto i raggi cosmici con livelli di energia estremi hanno un impatto sulla Terra. Il più potente mai registrato era un singolo protone con un’energia di 50 J, approssimativamente equivalente a un campo da baseball. Gli scienziati non sanno spiegare come alcuni dei raggi più energetici abbiano ottenuto la loro energia.
Sebbene siano chiamati “raggi cosmici”, va notato che i raggi cosmici sono particelle puntiformi, non raggi. Oltre ai protoni, che costituiscono il 90% di tutti i raggi cosmici, ci sono anche nuclei di elio, detti anche particelle alfa, che costituiscono un altro 9%, ed elettroni che costituiscono il restante 1%.
Lo spazio esterno è riempito da un bagno di particelle in rapido movimento, noto come flusso di raggi cosmici. I raggi cosmici sono chiamati radiazioni ionizzanti perché hanno la tendenza a colpire le molecole con una forza tale da far cadere gli elettroni dai loro atomi costituenti, creando ioni distruttivi. Un pezzo di biomateriale lasciato non protetto abbastanza a lungo nell’ambiente cosmico si trasformerebbe in formaggio svizzero. Questa è una delle più grandi sfide per la colonizzazione spaziale umana e tutti i progetti di colonie spaziali sono dotati di massicce schermature per respingere i raggi cosmici.
I raggi cosmici ottengono la loro grinta da oggetti ed eventi cosmici ad alta energia, come stelle di neutroni, supernovae e buchi neri. La maggior parte dei raggi cosmici proviene dall’interno della nostra galassia, dove vengono eruttati dalle supernove, o lanciati come una fionda dal ripido pozzo gravitazionale di un buco nero. Infatti, la presenza di determinati livelli di potenza dei raggi cosmici è la prova che i buchi neri esistono davvero.
Uno dei livelli più alti dell’atmosfera terrestre è noto come ionosfera, perché viene costantemente ionizzato dai raggi cosmici in arrivo, insieme alla radiazione solare. La termosfera, che è un sottoinsieme della ionosfera, sperimenta un riscaldamento fino a migliaia di gradi a causa delle radiazioni ionizzanti, ma poiché la densità delle particelle qui è relativamente bassa, non si sentirebbe così caldo se si visitasse lì.
I raggi cosmici più energetici provengono da eventi ad altissima energia al di fuori della nostra galassia e forniscono una rara finestra sul funzionamento dell’universo più ampio. I fisici costruiscono strutture multimilionarie per studiare in dettaglio il flusso di raggi cosmici.