La materia en forma de plasma está presente por todo el Universo, las estrellas, los remanentes de supernovas, en púlsares y magnétares, en las estrellas, en las explosiones…

El Plasma, ese otro estado de la Materia (el cuarto dicen) que, según sabemos, resulta ser el más abundante del Universo. Todos desde pequeños aprendimos aquellos tres estados de la amteria que cantábamos en el patio del centro educativo durante el recreo, donde todos a una gritábamos como papagayos: “Sólido, líquido y gaseoso”. Nada nos decían del Plasma, ese estado que, en realidad, cubre el 99% del estado de la materia en nuestro Universo (bueno, hablamos de la materia conocida, esa que llamamos bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones).

Según la energía de us partículas, los plasmas (como digo) constituyen el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, liquidos y gases. Parqa cambiar de uno al otro, es necesario que se le aporte energía que aumente la temperatura. Si aumentamos de manera conasiderable la temperatura de un gas, sus átomos o moléculas adquieren energía suficiente para ionizarse al chocar entre sí. de modo que a ~ 20.000 K muchos gases presentan una ionización elevada. Sin embargo, átomos y moléculas pueden ionizarse también por impacto electrónico, obsorción de fotones, reacciones químicas o nucleares y otros procesos.

Aquí podemos contemplar una enorme región ionizada en la Nebulosa del Pelícano. Estrellas nuevas emiten potente radiación ultravioleta que ataca el espesor de la Nebulosa molecular y hace que, el gas se ionice fuertemente creando una luminosidad que “viste” de azul claro todo el contorno que circunda el radio de acción de las estrellas.

Un plasma es un gas muy ionizado, con igual número de cargas positivas y negativas.Las cargas otorgan al Plasma un comportamiento colectivo, por las fuerzas de largo alcance existente entre ellas. En un gas, cada partícula, independientemente de las demás, sigue una trayectoria rectilinea, hasta chocar con otra o con las grandes paredes que la confinan. En un plasma, las cargas se desvían atraídas o repelidas por otras cargas o campos electromagnéticos externos, ejecutando trayectorias curvilineas entre choque y choque. Los gases son buenos aislantes eléctricos, y los plasmas, buenos conductores.

En la Tierra, los plasmas no suelen existir en la naturaleza, salvo en los relámpagos, que son trayectorias estrechas a lo largo de las cuales las moléculas de aire están ionizadas aproximadamente en un 20%, y en algunas zonas de las llamas. Los electrones libres de un metal también pueden ser considerados como un plasma. La mayor parte del Universo está formado por materia en estado de plasma. La ionización está causada por las elevadas temperaturas, como ocurre en el Sol y las demás estrellas, o por la radiación, como sucede en los gases interestelares o en las capas superiores de la atmósfera (ver trabajo más abajo), donde produce el fenómeno denominado aurora.

Así que, aunque escasos en la Tierra, el Plasma constituye la materia conocida más abundante del Universo, más del 99%. Abarcan desde altísimos valores de presión y temperatura, como en los núcleos estelares, hasta otros asombrosamente bajos en ciertas regiones del espacio. Uno de sus mayores atractivos es que emiten luz visible, con espectros bien definidos, particulares en cada especie. Algunos objetos radiantes, como un filamento incandescente, con espectro continuo similar al cuerpo negro, o ciertas reacciones químicas productoras de especies excitadas, no son plasmas, sin embargo, lo son la mayoría de los cuerpos luminosos.

                                        Bombilla de incandescencia

Los Plasmas se clasifican según la energía media (o temperatura) de sus partículas pesadas (iones y especies neutras). Un primer tipo son los Plasmas calientes, prácticamente ionizados en su totalidad, y con sus electrones en equilibrio térmico con las partículas más pesadas. Su caso extremo son los Plasmas de Fusión, que alcanzan hasta 10⁸ K, lo que permite a los núcleos chocar entre sí, superándo las enormes fuerzas repulsivas internucleares, y lñograr su fusión. Puede producirse a presiones desde 10¹⁷ Pa, como en los núcleos estelares, hasta un Pa, como en los reactores experimentales de fusión.

Los reactores de fusión nuclear prácticos están ahora un poco más cerca de la realidad gracias a nuevos experimentos con el reactor experimental Alcator C-Mod del MIT. Este reactor es, de entre todos los de fusión nuclear ubicados en universidades, el de mayor rendimiento en el mundo.

Los nuevos experimentos han revelado un conjunto de parámetros de funcionamiento del reactor, lo que se denomina “modo” de operación, que podría proporcionar una solución a un viejo problema de funcionamiento: cómo mantener el calor firmemente confinado en el gas caliente cargado (llamado plasma) dentro del reactor, y a la vez permitir que las partículas contaminantes, las cuales pueden interferir en la reacción de fusión, escapen y puedan ser retiradas de la cámara.

Otros Plasmas son los llamados térmicos, con e ~lectrones y especies pesadas en equilibrio, pero a menor temperatura ~ 10³ – 10⁴ K, y grados de ionización intermedios, son por ejemplo los rayos de las tormentas o las descargas en arcos usadas en iluminación o para soldadura, que ocurren entre 10⁵ y ~ 10² Pa. Otro tipo de Plasma muy diferente es el de los Plasmas fríos, que suelen darse a bajas presiones ( < 10² Pa), y presentan grados de ionización mucho menores ~ 10^-4 – 10^-6. En ellos, los electrones pueden alcanzar temperaturas ~ 10⁵ K, mientras iones y neutros se hallan a temperatura ambiente. Algunos ejemplos son las lámparas de bajo consumo y los Plasmas generados en multitud de reactores industriales para producción de películas delgadas y tratamientos superficiales.

El Observatorio Espacial Herschel de la ESA ha puesto de manifiesto las moléculas orgánicas que son la llave para la vida en la Nebulosa de Orión, una de las regiones más espectaculares de formación estelar en nuestra Vía Láctea. Este detallado espectro, obtenido con el Instrumento Heterodino para el Infrarrojo Lejano (Heterodyne Instrument for the Far Infrared, HIFI) es una primera ilustración del enorme potencial de Herschel-HIFI para desvelar los mecanismos de formación de moléculas orgánicas en el espacio. Y, para que todo eso sea posible, los Plasmas tienen que andar muy cerca.

En los Plasmas calientes de precursores moleculares, cuanto mayor es la ionización del gas, más elevado es el grado de disociación molecular, hasta poder constar solo de electrones y especies atómicas neutras o cargadas; en cambio, los Plasmas fríos procedentes de especies moleculares contienen gran proporción de moléculas y una pequeña parte de iones y radicales, que son justamente quienes proporcionan al Plasma su característica más importante: su altísima reactividad química, pese a la baja temperatura.

En la Naturaleza existen Plasmas fríos moleculares, por ejemplo, en ciertas regiones de las nubes interestelares y en las ionosfera de la Tierra y otros planetas o satélites. Pero también son producidos actualmente por el ser humano en gran variedad para investigación y multitud de aplicaciones.

En un número de la Revista Española de Física dedicado al vacío, el tema resulta muy apropiado pues no pudieron generarse Plasmas estables en descargas eléctricas hasta no disponer de la tecnología necesaria para mantener presiones suficientemente bajas; y en el Universo, aparecen Plasmas fríos hasta presiones de 10 ⁻ ¹⁰ Pascales, inalcanzable por el hombre.

Lo que ocurre en las Nubes moleculares es tan fantástico que, llegan a conseguir los elementos necesarios para la vida prebiótica que, tras los parámetros adecuados dan lugar al surgir de la vida.

El papel de las moléculas en Astronomía se ha convertido en un área importante desde el descubrimiento de las primeras especies poliatómicas en el medio interestelar. Durante más de 30 años, han sido descubiertas más de 150 especies moleculares en el medio interestelar y gracias al análisis espectral de la radiación. Muchas resultan muy exóticas para estándares terrestres (iones, radicales) pero buena parte de estas pueden reproducirse en Plasma de Laboratorio. Aparte del interés intrínseco y riqueza de procesos químicos que implican, estas especies influyen en la aparición de nuevas estrellas por su capacidad de absorber y radiar la energía resultante del colapso gravitatorio, y de facilitar la neutralización global de cargas, mucho más eficientemente que los átomos.

Su formación en el espacio comienza con la eyección de materia al medio interestelar por estrellas en sus últimas fases de evolución y la transformación de éstas por radiación ultravioleta, rayos cósmicos y colisiones; acabando con su incorporación a nuevas estrellas y Sistemas planetarios, en un proceso cíclico de miles de millones de años.

En las explosiones supernovas se producen importantes transformaciones en la materia que, de simple se transforma en compleja y dan lugar a todas esas nuevas especies de moléculas que nutren los nuevos mundos.

El H₂ y otras moléculas diatómicas homonucleares carecen de espectro rotacional. Detectando las débiles emisiones cuadrupolares del H₂ en infrarrojo, se ha estimado una proporción de H₂ frente a H abrumadoramente alto ( ~ 10⁴) en Nubes Interestelares con densidades típicas de ~ 10⁴ partículas /cm³; pero dada la insuficiente asociación radiativa del H para formar H₂, ya mencionada, el H₂ debe producirse en las superficies de granos de polvo interestelar de Carbono y Silicio, con diámetros ~ 1 nm — μm, relativamente abundantes en estas nubes.

Experimentos muy recientes de desorción programada sobre silicatos ultrafríos, demuestran que tal recombinación ocurren realmente vía el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood, si bien los modelos que expliquen las concentraciones de H₂ aún deben ser mejorados.

Por otro lado, ciertas regiones de las nubes en etapas libres de condensación estelar presentan grados de ionización ~ 10^-8 – 10^-7 a temperaturas de ~ 10 K. La ionización inicial corresponde principalmente al H₂ para formar H₂ ⁺, que reacciona eficientemente con H₂, dando H₃ ⁺ + H (k = 2• 10^-9 cm³ • s^-1.

El H₃, de estructura triangular, no reacciona con H₂ y resulta por ello muy “estable” y abundante en esas regiones de Nebulosas intelestelares, donde ha sido detectado mediante sus absorciones infrarrojas caracterizadas por primera vez en 1980 en descargas de H₂ en Laboratorio.

La constelación de Orión contiene mucho más de lo que se puede ver, ahí están presentes los elementos que como el H₂ que venimos mencionando, tras procesos complejos y naturales llegan a conseguir otras formaciones y dan lugar a la parición de moléculas significativas como el H₂O o HCN y una gran variedad de Hidrocarburos, que podrían contribuir a explicar en un futuro próximo, hasta el origen de la vida.

La detección por espectroscopia infrarroja de COH⁺ y N₂H⁺, formados en reacciones con H₃ ⁺ a partir de CO y N₂, permite estimar la proporción de N₂/CO existente en esas regiones, ya que el N₂ no emite infrarrojos. Descargas de H₂ a baja presión con trazas de las otras especies en Laboratorio conducen casi instantáneamente a la aprición de tales iones y moléculas, y su caracterización puede contribuir a la comprensión de este tipo de procesos.

Así amigos míos, hemos llegado a conocer (al menos en parte), algunos de los procesos asombrosos que se producen continuamente en el Espacio Interestelar, en esa Nebulosas que, captadas por el Hubble u otros telescopios, miramos asombrados maravilándonos de sus colores que, en realidad, llevan mensajes que nos están diciendo el por qué se producen y que elementos son los causantes de que brillen deslumbrantes cuando la radiación estelar choca de lleno en esas nubes en la que nacen las estrellas y los nuevos mundos…y, si me apurais un poco, también la vida.

emilio silvera

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Todo dependerá de cual sea el de la densidad de materia en el Universo

      La Densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la Gravedad detenga la expansión de nuestro Universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10-29 g/cm³, es descrito por el modelo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro Universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

Hasta hace poco tiempo, los cosmólogos creían que en futuro de el Universo dependía de la densidad de su masa-energía y admitían dos posibles destinos: 1. El Big Chill 2. El Big Crunch. Pero el (posible) descubrimiento de la energía oscura fue el responsable de la aceleración de la expación y ha planteado otro escenario posible para el destino de el Universo : 3. El Big Rip

          Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el Universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm3), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29  g/cm3, o 10-5 átomos/cm³, ya que el Universo está formado casi exclusivamente de espacios “vacíos”, virtualmente vacíos, entre las Galaxias. La densidad media es la que determinará si el Universo se expandirá o no para siempre.

          En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y Galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo, eso que conocemos como Gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La Gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de Gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de Gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

          En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de Gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

          Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el Universo, de hacer posible que existan las Galaxias, los sistemas solares y que, nosotros mismos, tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad, tira de nosotros para que así sea.

          No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 1040 veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

          La Gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El Gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

          La teoría cuántica es un ejemplo de talento que debemos al Físico alemán Max Planck (1.858-1.947) que, en el año 1.900 para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro de cuerpos calientes, dijo que la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hv, donde h es la constante de Planck (E=hv o ħ=h/2л) y v es la frecuencia de la radiación. Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell. En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio con respecto a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia con la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, como por ejemplo, el fotón.

          Por haberlo mencionado antes me veo obligado a explicar brevemente el significado de “cuerpo negro”. Que está referido a un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tiene, por tanto, una absorbancia y una emisividad de 1. Mientras que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

          La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la distribución de energía sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumento de temperaturas (ley de desplazamiento de Wien).

Según la teoría del Big Bang, el Universo se originó en una singularidad espaciotemporal de densidad infinita matemáticamente paradójica. El universo se ha expandido desde entonces, por lo que los objetos astrofísicos se han alejado unos respecto de los otros. Es decir, lo que se ha expandido ha sido el espacio, con lo cual, no se viola el principio de la relatividad de la velocidad de la luz, toda vez que, los objetos, nunca pudieron sobrepasar dicha velocidad.

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan. Sin embargo, el término también se utiliza en sentidos contextuales ligeramente diferentes y alude a conceptos como Cosmos, Mundo o Naturaleza.

El Universo es todo lo que podemos tocar, sentir, percibir, medir o detectar. Abarca los cosas vivas, los planetas, las estrellas, las galaxias, las nubes de polvo, la luz e incluso el tiempo. Antes de que naciera el Universo, no existían el tiempo, el espacio ni la materia. Esto es lo que podemos deducir sobre el Universo en cualquier lugar que podamos mirar y, ciertamente, es difícil hacerse una idea a que todo esto, pudiera ser de esta manera. Que a partir de un punto de “infinita densidad y energía surgieran tantas cosas… ¡Es difícil de creer! Sin embargo, es la mejor versión que tenemos. ¡Ah! También los pensamientos son fruto de ese Universo dinámico que, hizo evolucionar la materia hasta la conciencia!

Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de entre 13 730 y 13 810 millones de años y por lo menos 93 000 millones de años luz de extensión. El evento que dio inicio al universo se denomina Big Bang. Se denomina Big-Bang a la singularidad que creó el universo. Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse para llegar a su condición actual, y continúa haciéndolo.

Debido a que, según la teoría de la relatividad especial, la materia no puede moverse a una velocidad superior a la velocidad de la luz, puede parecer paradójico que dos objetos del universo puedan haberse separado 93 mil millones de años luz en un tiempo de únicamente 13 mil millones de años; sin embargo, esta separación no entra en conflicto con la teoría de la relatividad general, ya que ésta sólo afecta al movimiento en el espacio, pero no al espacio mismo, que puede extenderse a un ritmo superior, no limitado por la velocidad de la luz. Por lo tanto, dos galaxias pueden separarse una de la otra más rápidamente que la velocidad de la luz si es el espacio entre ellas el que se dilata.

Lo cierto es, amigos míos, que hablamos de todo esto con los datos que hemos podido ir recopilando de las observaciones y, como nuestros aparatos tecnológicos no son perfectos, nada nos puede asegurar de que, todo ésto, sea tal como creemos que es. Tanto el comienzo como el final del Universo, están inmersos en una espesa neblina de ignorancia que, para salir del paso nos hace construir Modelos de lo que podría ser.

emilio silvera

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