El origen de los rayos cósmicos ultraenergéticos todavía es un misterio. Su espectro de energía muestra la llamada rodilla (knee) a una energía de unos 1015,5 eV, el llamado tobillo (ankle) a una energía de unos 1018,5 eV, y el llamado corte GZK a unos 6 × 1019 eV. Este último es debido al fondo cósmico de microondas, una fuente de disipación de energía para los protones con energías superiores a 5 × 1019 eV, gracias a la producción de fotopiones (fenómeno predicho en 1966 por Greisen, y Zatsepin y Kuzmin).
El espectro de energía de los rayos cósmicos se puede aproximar por una ley de potencias, dada por J = k E−γ. Entre la rodilla y el tobillo se estima un exponente γ = 3,26 ± 0,04, y entre el tobillo y el corte GZK γ = 2,59 ± 0,02. El origen de los rayos cósmicos podrían ser partículas generadas en su fuente a baja energía y que alcancen alta energía tras un proceso de aceleración por campos magnéticos (modelos bottom-up). La zona de la rodilla se cree que tiene su origen en este escenario de aceleración. Pero también podría ocurrir que su origen es la desintegración de partículas supermasivas (modelos top-down). El origen del tobillo se asocia a la transición entre los rayos cósmicos de origen galáctico y los de origen extragaláctico.
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