Entre 1911 y 1912 el físico austríaco Victor Hess realizó varios ascensos en globos aerostáticos para entender por qué placas metálicas tienden a cargarse en forma espontánea. En aquel entonces se suponía que la causa era la radioactividad de las rocas terrestres. De ser así, a medida que uno se alejara del suelo la tendencia de las placas cargarse debía disminuir. Hess llevó consigo tres electroscopios, instrumentos compuestos de dos hojas de metal encerradas en una esfera de vidrio que al cargarse se separan una de la otra. Observó primero una disminución en la tendencia a cargarse, pero a partir de cierta altura los tres electroscopios se cargaban aún más. El 7 de agosto de 1912, junto con un comandante de vuelo y un metereólogo, realizó un vuelo de seis horas ascendiendo por encima de los 5 mil metros. Hess publicó sus resultados en 1913, con la conclusión de que la carga en las placas de los electroscopios se debía a una radiación de origen cósmico que es absorbida por la atmósfera, pero que se manifiesta a grandes altitudes. Hess recibió el Nobel en 1936 por el descubrimiento de esta radiación cósmica.
Aun cuando este descubrimiento fue verificado en 1913 por Kohlhörster, quien hizo mediciones hasta una altura de nueve kilómetros, no fue sino hasta mediados de 1920 cuando la noción de que el espacio está permeado por una intensa radiación cósmica que penetra las partes más altas de la atmósfera terrestre ganó aceptación. Al no haber observado ninguna diferencia en sus datos entre el día o la noche, Hess había descartado al Sol como el origen de los rayos cósmicos. En 1925 Robert Millikan introdujo el término “rayos cósmicos” para describir a esta radiación cuya naturaleza y origen permanecían en el misterio. Se creía que podría tratarse de rayos gamma (γ) que son fotones, el mismo tipo de partículas que forman la luz, pero de muy alta energía. Otra posibilidad era partículas con masa y carga, como electrones o protones, dos de los principales constituyentes de la materia. La cuestión podía dirimirse determinando si los rayos cósmicos tienen carga.
Una forma de saber si una partícula tiene carga o no es viendo cómo se mueve en presencia de un imán, que no afecta el movimiento de los fotones, mientras que las cargas se mueven de manera curvilínea en un campo magnético. El imán a emplear era la Tierra: las partículas cargadas deberían llegar preferentemente por los polos, donde el campo magnético es más intenso. En los años 30 Arthur Compton demostró, mediante minuciosas mediciones en distintas partes del mundo, que los rayos cósmicos llegan preferentemente por los polos, siendo su intensidad mínima en el ecuador, y que por tanto son partículas con masa y carga. Estudios posteriores, como los realizados por el mexicano Manuel Sandoval Vallarta, mostraron además una diferencia entre mediciones hacia el Este y hacia el Oeste, indicando que la mayoría tienen carga positiva: 99 por ciento de los rayos cósmicos son núcleos atómicos, principalmente protones (núcleos de hidrógeno), pero con la presencia clara de núcleos de helio, carbono y los demás elementos químicos.
Victor Hess emprendiendo un vuelo en globo aerostático en abril de 1912
El aspecto más relevante de los rayos cósmicos es la energía que tienen. Mientras que los fotones de la luz visible tienen una energía de dos o tres electrón volts, los rayos cósmicos tienen energías por encima de billones (millones de millones) de electrón volts. Estas son comparables con las que pueden alcanzar los mayores aceleradores de partículas del mundo, como el Large Hadron Collider (LHC). Más aun, los rayos cósmicos de mayor energía detectados por observatorios como el Pierre Auger en Argentina, tienen energías decenas de millones superiores a las alcanzables en el LHC. Son partículas viajando a 0.9999999999999999999999 veces la velocidad de la luz, rozando el límite de velocidad establecido por las leyes de la física. Las partículas más energéticas tienen una masa de 0.0000000000000000017 microgramos y la misma energía que una pelota de tenis en un buen saque (el segundo saque de Venus Williams). Una persona moviéndose a esa velocidad tendría una energía de 700 mil cuatrillones de joules: misma que produce el Sol en treinta minutos; la que recibe la Tierra en 260 mil años; o la que produciría la humanidad en mil 400 millones de años al frenético ritmo actual.
Desde el punto de vista astrofísico, la existencia de estas partículas indica que en nuestra galaxia y más allá hay objetos celestes que funcionan como aceleradores de partículas de una potencia extraordinaria. Siendo partículas cargadas inmersas en el campo magnético de la Vía Láctea, los rayos cósmicos no viajan en línea recta y la dirección de la cual los vemos llegar no indica dónde se originaron. Para saber qué objetos son los que producen rayos cósmicos es necesaria alguna evidencia indirecta. Hasta dónde sabemos, los procesos físicos que dan lugar a partículas de muy alta energía seguramente deben producir también rayos γ, los cuales viajan en línea recta sin ser afectados por el campo magnético de nuestra galaxia. Es decir que los objetos que emiten rayos γ seguramente producen rayos cósmicos.
Los rayos γ son absorbidos por la atmósfera y su estudio astrofísico tuvo que esperar el desarrollo de telescopios espaciales. Los primeros satélites con la capacidad de estudiar el firmamento en rayos γ fueron puestos en órbita en los 1960s y 1970s; pero no fue hasta los 1990s cuando el Compton Gamma-Ray Observatory catalogó más de 200 objetos capaces de emitir fotones con energías de cientos de megaelectrón volts. El Fermi Gamma-Ray Space Telescope, en órbita y operación desde junio de 2008, ha detectado más de 3 mil fuentes de rayos γ con energías de gigaelectrón volts. La mayoría de estos objetos son galaxias activas, principalmente cuasares y objetos de tipo Bl Lacerta, además de pulsares y restos de supernova dentro de nuestra galaxia.
Gracias a que el efecto de un sólo fotón de tera-electrón volts en la atmósfera es medible, es posible estudiar fuentes de rayos γ de muy alta energía desde la Tierra. Fotones de algunos teraelectrón volts absorbidos por la atmósfera desencadenan una cascada de partículas “secundarias” detectables directamente en la superficie terrestre. Esto se hace aprovechando un tipo particular de luz, la “luz Cherenkov”, emitida por partículas de alta energía en el aire y en el agua. Los instrumentos capaces de hacer astronomía de rayos γ aprovechando la luz Cherenkov de partículas secundarias en la atmósfera se conocen como “telescopios Cherenkov atmosféricos”. También es posible medir directamente el paso de las partículas secundarias empleando un detector constituido por un gran volumen de agua situado preferentemente a una gran altitud. Este es el principio de operación del observatorio HAWC (High Altitude Water Cherenkov), que ha sido instalado en el volcán Sierra Negra a 4 mil 100 metros de altitud por un consorcio de instituciones de México y Estados e iniciará su fase de operación plena en marzo de 2015.