Una enana blanca es una pequeña y densa estrella que es el resultado final de la evolución de todas las estrellas (por el ejmplo el Sol), excepto las muy masivas. Según todos los estudios y observaciones, cálculos, midelos de simulación, etc., estas estrellas se forman cuando, al final de la vida de las estrellas medianas, al final de sus vidas, cuando agotan el combustible de fusión nuclear, se produce el colapso de sus núcleos estelares, y quedan expuestas cuando las partes exteriores de la estrella son expulsadas al espacio interestelar para formar una Nebulosa Planetaria.

Ahí se ha formado ya una Nebulosa planetaria y en su centro, muy caliente y radiando en el ultravioleta más energético, la “nueva” estrella enana blanca, …

El Núcleo se contrae bajo su propia gravedad hasta que, habiendo alcanzado un tamaño similar al de la Tierra , se ha vuelto tan densa (5 x 10⁸ Kg/m³) que sólo evista su propio colapso  por la preseión de degeneración de los electrones (como sabeis los electrones son fermiones que estando sometidos al Principio de exclusión de pauli, no pueden ocupar niguno de ellos el mismo lugar de otro al tener el mismo número cuántico y, siendo así, cuando se cjuntan demasiado, se degeneran y comienzan una frenética carrera que, en su intensidad, puede, incluso frenar la implosión de una estrella -como es el caso de las enanas blancas).

Las enanas blancas se forman con muy altas temperaturas superficiales (por encima de los 10 000 K) debido al calor atrapados en ellas, y liberado por combustiones nucleares previas y por la intensa atracción gravitacional que sólo se ve frenada por la degeneración de los electrones que, finalmente, la estabilizan como estrella enana blanca.

Este tipo de estrellas, con el paso del tiempo, se enfrían gradualmente, volviéndose más débiles y rojas. Las enanas blancas pueden constituir el 30 por ciento de las estrellas de la vecindad solar, aunque debido a sus bajas luminosidades  de 10^-3 – 10^-4 veces la del Sol, pasan desapercibidas. La máxima máxima posible de una enana blanca es de 1,44 masas solares, el límite de Shandrasekhar. Un objeto de masa mayor se contraería aún más y se convertiría en una estrella de neutrones o, de tener muha masa, en un agujero negro

           Visión artística de una enana blanca, Sirio B – Crédito: NASA, ESA y G. Bacon (STScl)

Las enanas blancas son estrellas calientes y pequeñas, generalmente como del tamaño de la Tierra, por lo que su luminosidad es muy baja. Se cree que las enanas blancas son los residuos presentes en el centro de las nebulosas planetarias. Dicho de otra manera, las enanas blancas son el núcleo de las estrellas de baja masa que quedan después de que la envoltura se ha convertido en una nebulosa planetaria.

El núcleo de una enana blanca consiste de material de electrones degenerados. Sin la posibilidad de tener nuevas reacciones nucleares, y probablemente después de haber perdido sus capas externas debido al viento solar y la expulsión de una nebulosa planetaria, la enana blanca se contrae debido a la fuerza de gravedad. La contracción hace que la densidad en el núcleo aumente hasta que se den las condiciones necesarias para tener un material de electrones degenerados. Este material genera presión de degeneración, el cual contrarresta la contracción gravitacional.

Al ser estudiadas más a fondo las propiedades de las enanas blancas se encontró que al aumentar su masa, su radio disminuye. A partir de esto es que se encuentra que hay un límite superior para la masa de una enana blanca, el cual se encuentra alrededor de 1.4 masas solares (MS). Si la masa es superior a 1.4 MS la presión de degeneración del núcleo no es suficiente para detener la contracción gravitacional. Este se llama el límite de Chandrasekhar.

Debido a la existencia de este límite es que las estrellas de entre 1.4 MS y 11 MS deben perder masa para poder convertirse en enanas blancas. Ya explicamos que dos medios de pérdida de masa son los vientos estelares y la expulsión de nebulosas planetarias.

                                   A esto puede dar lugar la unión de dos enanas blancas

Después de que una estrella se ha convertido en enana blanca, lo más probable es que su destino sea enfriarse y perder brillo. Debido a que las enanas blancas tienen una baja luminosidad, pierden energía lentamente, por lo que pueden permanecer en esta etapa en el orden de años. Una vez que se enfrían, se vuelven rocas que se quedan vagando por el Universo. Este es el triste destino de nuestro Sol.

La detección de enanas blancas es difícil, ya que son objetos con un brillo muy débil. Por otro lado, hay ciertas diferencias en las enanas blancas según su masa. Las enanas blancas menos masivas sólo alcanzan a quemar hidrógeno en helio. Es decir, el núcleo de la estrella nunca se comprime lo suficiente como para alcanzar la temperatura necesaria para quemar helio en carbono. Las enanas blancas más masivas sí llevan a cabo reacciones nucleares de elementos más pesados, es decir, en su núcleo podemos encontrar carbono y oxígeno.

Comparación de tamaños entre la enana blanca IK Pegasi B (centro abajo), su compañera de clase espectral A IK Pegasi A (izquierda) y el Sol (derecha). Esta enana blanca tiene una temperatura en la superficie de 35.500 K.

Allá por el año 1908, siendo Chandraskhar un avanzado estudiante de física, vivía en Madrás, en la Bahía de Bengala (En cuyo Puerto trabajó  Ramanujan), y, estando en la aquella ciudad el célebre científico Arnold Sommerfeld, le pidió audiciencia y se pudo entrevistar con él que, le vino a decir que la física que estudiaba estaba pasada, que ahora se estaban estudiando nuevos caminos de la física y, sobre todo, uno a cuya teoría se la llamaba mecánica cuántica que podía explicar el comportamiento de lo muy pequeño.

                     Chandrasekhar

Cuando se despidieron Sommerfeld dio a Chandrasekhar la prueba de imprenta de un artículo técnico que acaba de escribir. Contenía una derivación de las leyes mecanocuánticas que gobiernan grandes conjuntos de electrones comprimidos en volúmenes pequeños, por ejemplo (para este caso) en una estrella enana blanca.

A partir de aquel artículo, Chandrasekhar buscó más información y estudió estos fenómenos estelares que desembocaban en enanas blancas. Este tipo de estrella habían descuibiertas por las astrónomos a través de sus telescopios. Lo misterioso de las enanas blancas era su densidad extraordinariamente alta de la materia en su interior, una densidad muchísimo mayor que la decualquier otra cosa que los seres humanos hubieran encontrado antes. Chandrasekhar no tenía forma de saberlo cuando abrió un libro de Eddintong que versaba sobre la materia, pero la lucha por desvelar el misterio de e4sta alta densidad le obligaría fibnalmente a él y a Eddintong a afrontar la posibilidad de que las estrellas masivas, cuando mueren, pudieran contraerse para formar agujeros negros.

De las enanas blancas más conocidas y cercanas, tenemos a Sirio B. Sirio A y Sirio B son la sexta y la seéptima estrellas en orden de proxomidad a la Tierra, a 8,6 años-luz de distancia, y Sirio es la estrella más brillante en nuestro cielo. Sirio B orbita en torno a Sirio de la misma manera que lo hace la Tierra alrededor del Sol, pero Sirio B tarde 50 años en completar una órbita a Serio y la Tierra 1 año al Sol.

Eddintong describía como habían estimado los astrónomos, a partir de observaciones con telescopios, la masa y la circunferencia de Sirio B. La masa era de 0,85 veces la masa del Sol; la circunferencia media 118.000 km. Esto significaba que la densidad media de Sirio B era de 61.000 gramos por centímetro cúbico, es decirm 61.000 veces mayor que la densidad del agua. “Este argumento se conoce ya desde hace algunos añis -nos decía Eddintong-” Sin embargo, la mayoría de los astróniomos de aquel tiempo, no se tomaban en serio tal densidad, Sin embargo, si hubieran conocido la vrdad que ahora conocemos: (Una masa de 1,05 soles, una circunferencia de 31.000 km y una densidad de 4 millones de gramos por cm³), la habrían considerado aún más absurda.

Arriba la famosa Nebuliosa planetaria ojo de Gato que, en su centro luce una estrella enana blanca de energéticas radiaciones en el ultravioleta y que, a medida que se vaya enfriando, serán de rayos C y radio hasta que, dentro de unos 100 millones de añosm vieja y fria, será más rojiza y se habrá convertido en eun cadáver estelar.

Aquellos trabajos de Chandraskar y Eddintong desembocaron en un profundo conocimiento de las estrellas de neutrones y, se llego a saber el por qué conseguian el equilibrio que las estabilizaba a través de la salvación que, finalmente encontraban, en la mecánica cuántica, cuando los electrones degenerados por causa del Principio de esclusión de Pauli, no dejaban que la fuerza gravitatoria continuara el proceso de contracción de la estrella y así, quedaba estabilizada como estrella de neutrones.

De la misma manera, se repetía el proceso para estrellas más masivas que, no pudiendo ser frenadas en su implosión gravitatoria por la degeneración de los electrones, sí que podia frenarse la Gravedad, mediante la degeneración de los Neutrones. Cuando esa estrella más masiva se contraía más y más, el Principio de exclusión de pauli que impide que los fermiones estén juntos, comenzaba su trabajo e impedía que los neutrones (que son fermiones), se juntaran más, entonces, como antes los electrones, se degeneraban y comenzaban a moverse con velocidades relativistas y, tan hecho, impedía, por sí mismo que la Gravedad consiguiera comprimir más la masa de la estrella que, de esta manera, quedaba convertida, finalmente, en una Estrella de Neutrones.

Al formarse la estrella de neutrones la estrella se colapsa hasta formar una esfera perfecta con un radio de tan solo unos 10 kilómetros. En este punto la presión neutrónica de Fermi resultante compensa la fuerza gravitatoria y estabiliza la estrella de neutrones. Apenas una cucharilla del material que conforma una estrella de neutrones tendría una masa superior a 5 x 10¹² kilogramos.

Los modelos de estrellas de neutrones que se han logrado construir utilizando las leyes físicas presentan varias capas. Las estrella de neutrones presentarían una corteza de hierro muy liso de, aproximadamente, un metro de espesor. Debajo de esta corteza, prácticamente todo el material está compuesto por núcleos y partículas atómicas fuertemente comprimidos formando un “cristal” sólido de materia nucleica.

Son objetos extremadamente pequeños u densos que surgen cuando estrellas masivas sufren una explosión supernova del tipo II, el núculeo se colapsa bajo su propia gravedad y puede llegar hasta una densidad de 10¹⁷ Kg/m³. Los electrones y los protones que están muy juntos se fusionan y forman neutrones. El resultado final consiste solo en neutrones, cuyo material, conforma la estrella del mismo nombre. Con una masa poco mayor que la del Sol, tendría un diámetro de sólo 30 Km, y una densidad mucho mayor que la que habría en un terón de azúcar con una masa igual a la de toda la humkanidad. Cuanto mayor es la masa de una estrella de neutrones, menor será su diámetro. Está compuesta por un interior de neutrones superfluidos (es decir, neutrones que se comportan como un fluido de viscosidad cero), rodeado por más o menos una corteza sólida de 1 km de grosos compuesta de elementos como el hierro. Los púlsares son estrellas de neutrones magnetizadas en rotación.  Las binarias de rayos X masivas tambioén se piensan que contienen estrellas de neutrones.

Todos aquellos argumentos sobre el comportamiento de las enanas blancas vinieron a desembocar en la paradoja de Edddintong que, en realidad, fue resulta por el Joven Chandrasekhar en el año 1925 al leer un artículo de R.H. Fowler “Sobre la materia densa”. La solución residía en el fallo de las leyes de la física que utilizaba Eddintong. Dcihas leyes debían ser reemplazadas por la nueva mecánica cuántica, que describía la presión en el interior de Sirio B y otras enanas blancas como debida no al calor sino a un fenómeno mecanocuántico nuevo: los movimientos degenerados de los electrones, también llamado degeneración electrónica.

La degeneración electrónica es algo muy parecido a la claustrofia humana. Cuando la materia es comprimida hasta hasta una densidad 10.000 veces mayor que la de una roca, la nube de electrones en torno a cada uno de sus núcleos atómicos se hace 10.000 veces más condensada, Así, cada electrón queda confinado en una “celda” con un volumen 10.000 veces menor que el volumen en el que previamente podía moverse. Con tan poco espacio disponible, el electrón, como nos pasaría a cualquiera de nosotros, se siente incómodo, siente claustrofobia y comienza a agitarse de manera incontrolada, golpeando con enorme fuerza las paredes de las celdas adyacentes. Nada puede deternerlo, el electrón está obligado a ello por las leyes de la mecánica cuántica. Esto está producido por el Primncipio de esclusión de Pauli que impide que dos fermiones estén juntos, así que, esta fuerza es, la que finalmente posibilita que la estrella que se comprime más y más, quede finalmente, constiruida estable como una enana blanca.

emilio silvera

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“El extraterrestre es mi hermano”  [Y entonces salimos para volver a ver las estrellas]. Con este célebre verso finaliza el Canto del Infierno de la Divina Comedia de Dante, y que sirve para describir la misión de la Astronomía, que es sobre todo, la de restituir a los hombres la dimensión justa de las criaturas pequeñas y frágiles ante el escenario inconmensurable de millones y millones de galaxias.

                       ¿Y si después descubriéramos que no estamos solos en el Universo?

La Astronomía tiene un profundo valor profundamente humano. Es una Ciencia que abre el corazón y la Mente. Nos ayuda a situar en la perspectiva correcta nuestra vida, nuestras esperanzas y nuestros problemas. En este sentido, podemos decir que, estamos más cerca que nunca del Universo del que formamos parte.

No puedo explicar como me han salido esas palabras del comienzo, toda vez que, mi intención cuando comencé a escribir, era la de hablar un poco del magnetismo y de cosas pequeñas que, en el futuro no muy lejano, nos pueden situar en el plano de lo más alto de la tecnología.

El estudio del magnetismo en España está a un buen nivel y su dinámica está distribuida por todo el pais. La Física de esta disciplina despertó allá por los años setenta y, hasta el momento, no ha hecho más que crecer. Amplias son las aplicaciones del magnetismo en los problemas básicos, como las omnipresentes aplicaciones tecnológicas del magnetismo. Estas temáticas abarcan desde la investigación en materiales masivos clásicos, tales como los duros para imánes permanentes y blandos para transformadores, sensores o actuadores, hasta los aspectos más modernos relacionados con los nanomateriales y la espintrónica. Hoy día, es en este último campo donde se desarrolla la mayor parte de la actividad investigadora relacionada con el magnetismo en España y en el resto del Mundo.

Proceso de vaciado del núcleo de oxo-hidróxido de hierro y “rellenado” de material magnético duro.

Esquema artístico del experimento de bombardeo con un pulso de corriente de electrones sobre un disco de lámina delgada de CoCrPt (cuadrado). El pulso crea campos magnéticos sobre el disco (circulos), según la ley de faraday.

Los llamados nanomateriales constituyen una nueva generación de sistemas preparados artificialmente, que tienen un gran impacto científico tanto por lo que hace referencia a la ciencia básica como a sus aplicaciones tecnológicas. Todos ellos comparten la característica común de contener estructuras de tamaño nanométrico. Es precisamente la existencia de esas escalas nanométricas lo que confiere grados de libertad a la complejidad de estos sistemas y da lugar a la aparición de una gran variedad de nuevos fenómenos. El control de una estructura mediante distintas técnicas de preparación y de tratamiento ulterios permite  prediseñar a la carta sus resultados finales. Es por ello que, en las últimas décadas, los nanomateriales se han convertido en sistema paradigmáticos para el descubrimioento de nuevos fenómenos y la exploración de modelos y teorías de la ciencia de materiales y la física, como es el caso de la magnetorresisitencia gigante,descubiertas por los Profesores Fert y Grünberg que obtuvieron el Nobel de Física de 2007.

GMR de válvula de spin.

 

Grünberg y Fert en dos imágenes de archivovvvv- EFE

Espintrónica:

(Neologísmo a partir de “espín” y “electrónica” y conocido también como magnetoelectrónica) es una tecnología emergente que explota tanto la carga del electrón como su espín, que se manifiesta como un estado de energía magnética débil que puede tomar solo dos valores,  o  (donde  es la constante de Planck dividida por 2π o constante racionalizada de Planck (ℏ).

 

 

En física, un salto cuántico es un cambio abrupto del estado físico de un sistema cuántico de forma prácticamente instantánea. El nombre se aplica a diversas situaciones. La expresión salto se refiere a que el fenómeno cuántico contradice abiertamente el principio filosófico repetido por Newton y Leibniz de que Natura non facit saltus (‘La naturaleza no procede a saltos’).

Finalmente, hay algunos grupos trabajando en el diseño y desarrollo de nuevos dispositivos magnetoelectrónicos para aplicaciones; por ejemplo, biosensores magnetorresistivos que miden la concentración de nanopartículas magnéticas conjugadas las cuales etiquetan la hibridación con un determinado analito, y nano-dispositivos de tipo nanohilos magnéticos y contactos magnéticos atómicos, fabricados mediante técnicas litográficas de haces de iones y electrones.

                                                          Materiales amorfos y nanocristalinos

Los materiales FM amorfos (vidrios metálicos) y nanocristalinos magnéticamente blandos, de base Fe o Co y fabricados en forma de polvos, cintas, hilos o microhilos mediante aleado mecánico o técnicas de enfriamiento ultrarrápido, han sido objeto de estudio durante las últimas décadas, tanto por sus importantes aplicaciones tecnológicas en dispositivos electromagnéticos y de alta frecuencia, como por la variada fenomenología que presentan. Las problemáticas más importantes abordan aspectos relativos a:

1. El procesado mediante diversas técnicas (tratamientos térmicos bajo tensión, campo magnético, etc.).

2. La dinámica de movimiento de paredes, proceso de imaginación biestable, fluctuaciones del campo de inversión y coercitividad.

3. Las propiedades magnetoelásticas, magnetocalóricas y de magnetotransporte (térmico o electrónico).

4. El comportamiento electromagnético en alta frecuencia de micro-nanohilos y metamateriales (magnetoimpedancia, resonancia                  ferromagnética).

5. Las aplicaciones como sensores y actuadores magnéticos, y tecnología inalámbrica.

                  Formas y propiedades del cristal.

Un punto crucial en las aleaciones amorfas y nanocristalinas es la caracterización de la interrelación entre la microestructura y sus propiedades magnéticas y, en particular, la anisotropía magnética. Una de las características mejoradas de los materiales nanocristalinos respecto a los amorfos clásicos es el reducido valor de la anisotropía magnética y como su valor puede variarse mediante la nanoestructuración.

La producción y caracterización de aleaciones de base Fe o Co, obtenidas mediante aleado mecánico en forma de polvo a partir de precursores elementales o de trozos de cintas previamente preparadas por solidificación rápida, se caracterizan por sus buenas propiedades magnéticas y son de interés para la industria pulvimetalúrgica. La optimización de los tratamientos térmicos permite obtener materiales con la nanoestructura deseada mediante un crecimiento cristalino controlado.

Materiales inteligentes

 

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El acoplamiento entre las propiedades magnéticas y estructurales de los compuestos intermetalicos TR₅(Ge_xSi_1-x)₄ con TR= Gd, Tb, Ho, Nd y Er ha despertado gran interés por su posible utilización en refrigeración magnética debido al efecto magnetocalórico gigante. Estos sistemas se caracterizan por la existencia de un intenso acoplamiento magnetoelástico que permite inducir las transiciones estructurales mediante la aplicación de un campo magnético externo, pudiendo así aprovechar el elevado cambio entrópico asociado al calor latente de la transición. De hecho, estos materiales son paradigmáticos por lo que respecta al fuerte acoplamiento entre los grados de libertad estructurales y magnéticos. Por ejemplo, es también posible inducir la transición estructural y el cambio asociado en el estado magnético mediante la aplicación de presión. En estos sistemas, la coexistencia de interacciones FM y AFM va más allá de la frustración magnética típica de los vidrios de espines y da lugar a un estado magnético fuertemente inhomogéneo, conteniendo regiones con orden de corto alcance que compiten por establecer estados FM y AFM de largo alcance en el sistema. De esta forma, el estado magnético del sistema se encuentra en un estado de equilibrio inestable que puede ser modificado fácilmente por la aplicación de una fuerza externa. Por ejemplo, un problema con importantes implicaciones básicas es la aparición de fases Griffiths en algunos de estos compuestos.

Las aleaciones de tipo Heusler de los sistemas Ni-Mn-(Ga, In, Sn) son materiales que presentan efectos magnéticos tanto magnetocalórico como de memoria de forma. Estos últimos son también consecuencia del acoplamiento de los grados de libertad estructurales y magnéticos en aleaciones FM que sufren una transición martensítica a una temperatura inferior a la temperatura de Curie. Para composiciones cercanas a la estequiométrica, estas aleaciones son los materiales prototípicos. La transición martensític se produce en el estado FM desde una estructura cúbica a una fase martensítica tetragonal, en la cual existen diversas variantes (maclas) para los dominios cristalográficos que pueden ser reorientadas bajo la aplicación de campos magnéticos moderados. Consecuentemente, la transición martensítica tiene lugar entre dos estados FM con estructuras de dominios magnéticos diferentes, de manera que el salto en la imanación está controlado por el acoplamiento magnetoelástico en la escala mesoscópica de las variantes martensíticas. Para ciertas composiciones, dicho salto produce efecto magnetocalórico gigante a campos moderados. En España, varios grupos de investigación están trabajando en estos materiales preparados en forma de monocristales, policristales, capas delgadas y cintas.

Intermetálicos

Variación del límite elástico con la temperatura para diferentes contenidos de Al.

Ciertas tierras raras metálicas, Ce, Eu e Yb, cuando se las alea con otros elementos, principalmente Cu, Al, B, Ge, Sn, Pd, Ni, Fe, Co, formando compuestos intermetálicos ternarios y cuaternarios, dan origen a una fuerte correlación (de canje y de Coulomb) entre las bandas 4f y de conducción (5d¹6_s²), lo que da lugar a los fenómenos de valencia fluctuante, fermión pesado y efecto Kondo (local y de red), debido a cierta inestabilidad de la capa magnética 4f. Aparece también magnetoestricción asociada al acoplamiento magnetoelástico, el origen de la cual está todavía en discusión. En concreto, en este tema, se está analizando el comportamiento de valencia fluctuante y de fermiones pesados que muestra la serie Ce-Ni-Sn-Ge, el magnetismo itenerante en Y₂Fe₁₇ y Y₂F_e14B, y la mezcla de comportamiento de fermiones pesados y superconductividad en la serie de compuestos intermetálicos CeXT₃, con X = Ru, Rh, Au, Ag, Pt, Pd, Cu y Ni, y T = Sn y Al.

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