“Inicialmente, se presenta, de modo simplificado, el Modelo Estándar como una teoría sofisticada que identifica las partículas elementales y sus interacciones. Después, en el ámbito de esa teoría, se enfocan aspectos – el vacuo no es vacío; partículas desnudas y vestidas; materia oscura y viento oscuro; materia y antimateria; el campo y el bosón de Higgs; neutrinos oscilantes – que pueden ser motivadores desde el punto de vista de la enseñanza y del aprendizaje de la Física. Finalmente, se discute la probable superación de esa teoría por otra más completa.”

La Física actual busca una teoría más amplia que el modelo estándar . Una teoría que dé una descripción completa, unificada y consistente de la estructura fundamental del universo. ¿Será la compleja Teoría de cuerdas, que integra también la interacción gravitatoria?

El modelo estándar es una poderosa herramienta pero no cumple todas las expectativas; no es un modelo perfecto. En primer lugar, podríamos empezar por criticar que el modelo tiene casi veinte constantes que no se pueden calcular. Desde luego, se han sugerido numerosas ideas para explicar el origen de todos estos parámetros o números inexplicables y sus valores, pero el problema de todas estas teorías es que los argumentos que dan nunca han sido enteramente convincentes. ¿Por qué se iba a preocupar la naturaleza de una fórmula mágica si en ausencia de tal fórmula no hubiera contradicciones? Lo que realmente necesitamos es algún principio fundamental nuevo, tal como el principio de la relatividad, pero no queremos abandonar todos los demás principios que ya conocemos. Ésos, después de todo, han sido enormemente útiles en el descubrimiento del modelo estándar. El mejor lugar para buscar un nuevo principio es precisamente donde se encuentran los puntos débiles de la presente teoría y, construímos máquinas como el LHC para que nos diga lo que no sabemos.

Una regla universal en la física de partículas es que para partículas con energías cada vez mayores, los efectos de las colisiones están determinados por estructuras cada vez más pequeñas en el espacio y en el tiempo. El modelo estándar es una construcción matemática que predice sin ambigüedad cómo debe ser el mundo de las estructuras aún más pequeñas. Pero existen varias razones para sospechar que sus predicciones pueden, finalmente (cuando podamos emplear más energía en un nivel más alto), resultar equivocadas.

Vistas a través del microscopio, las constantes de la naturaleza parecen estar cuidadosamente ajustadas sin ninguna otra razón aparente que hacer que las partículas parezcan lo que son. Hay algo muy erróneo aquí. Desde un punto de vista matemático no hay nada que objetar, pero la credibilidad del modelo estándar se desploma cuando se mira a escalas de tiempo y longitud extremadamente pequeñas, o lo que es lo mismo, si calculamos lo que pasaría cuando las partículas colisionan con energías extremadamente altas. ¿Y por qué debería ser el modelo válido hasta aquí? Podrían existir muchas clases de partículas súper pesadas que no han nacido porque se necesitan energías aún inalcanzables. ¿Dónde está la partícula de Higgs? ¿Cómo se esconde de nosotros el gravitón?

Parece que el Modelo estándar no admite la cuarta fuerza y tendremos que buscar más profundamente, en otras teorías que nos hablen y describan además de las partículas conocidas de otras nuevas que están por nacer y que no excluya la Gravedad. Ese es el Modelo que necesitamos para conocer mejor la Naturaleza.

Claro que las cosas no son tan sencilla y si deseamos evitar la necesidad de un delicado ajuste de las constantes de la naturaleza, creamos un nuevo problema: ¿cómo podemos modificar el modelo estándar de tal manera que el ajuste fino no sea necesario? Está claro que las modificaciones son necesarias, lo que implica que muy probablemente haya un límite más allá del cual el modelo tal como está deja de ser válido. El modelo estándar no será nada más que una aproximación matemática que hemos sido capaces de crear, de forma que todos los fenómenos que hemos observado hasta el presente están reflejados en él, pero cada vez que se pone en marcha un aparato más poderoso, tenemos que estar dispuestos a admitir que puedan ser necesarias algunas modificaciones del modelo para incluir nuevos datos que antes ignorábamos.

Más allá del modelo estándar habrá otras respuestas que nos lleven a poder hacer otras preguntas que en este momento, no sabemos ni plantear por falta de conocimientos.  Si no conociéramos que los protones están formados por Quarks, ¿Cómo nos podríamos preguntar si habrá algo más allá de los Quarks?

El gobierno de Estados Unidos, después de llevar gastados miles de millones de dólares, suspendió la construcción del super-colisionador superconductor de partículas asestando un duro golpe a la física de altas energías, y se esfumó la oportunidad para obtener nuevos datos de vital importancia para el avance de este modelo, que de momento es lo mejor que tenemos.

“Esta relación del modelo estándar se consigue con bosones de Higgs elementales en dobletes electrodébiles; está verificado experimentalmente a más del 1%. Aquí, g y g′ son acoplamientos gauge SU(2) y U(1) y tanθ_W = g′/g define el ángulo de mezcla débil.

La importante idea de una nueva interacción fuerte de gauge de fermiones sin masa en la escala electrodébil F_EW que conducen a la ruptura espontánea de su simetría quiral, de la cual un sugrupo SU(2) ⊗ U(1) es de gauge débil, fue propuesta por primera vez en 1979 por S. Weinberg​ and L. Susskind.​ Este mecanismo “technicolor” es natural ya que no necesita ajuste fino de parámetros.”

Se han estado inventando nuevas ideas, como la supersimetría y el technicolor. Los astrofísicos estarán interesados en tales ideas porque predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas, y también varios tipos de partículas que interaccionan ultra-débilmente, los technipiones. Éstas podrían ser las WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas Débilmente Interactivas) que pueblan los huecos entre las galaxias, y serían así las responsables de la masa perdida que los astrofísicos siguen buscando y llaman “materia oscura”.

Que aparezcan “cosas” nuevas y además, imaginarlas antes, no es fácil. Recordemos cómo Paul Dirac se sintió muy incómodo cuando en 1931 dedujo, a partir de su ecuación del electrón, que debería existir una partícula con carga eléctrica opuesta.

Esa partícula no había sido descubierta y le daba reparo perturbar la paz reinante en la comunidad científica con una idea tan revolucionaria, así que disfrazó un poco la noticia: “Quizá esta partícula cargada positivamente, tan extraña, sea simplemente el protón”, sugirió. Cuando poco después se identificó la auténtica antipartícula del electrón (el positrón) se sorprendió tanto que exclamó: “¡Mi ecuación es más inteligente que su inventor!”. Este último comentario es para poner un ejemplo de cómo los físicos trabajan y buscan caminos matemáticos mediante ecuaciones de las que, en cualquier momento (si están bien planteadas), surgen nuevas ideas y descubrimientos que ni se podían pensar. Así pasó también con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, donde Schwarzschild dedujo la existencia de los agujeros negros.

Se piensa que al principio del comienzo del tiempo, cuando surgió el Big Bang, las energías eran tan altas que allí reinaba la simetría total; sólo había una sola fuerza que todo lo englobaba. Más tarde, a medida que el universo se fue expandiendo y enfriando, surgieron las cuatro fuerzas que ahora conocemos y que todo lo rigen. Tenemos los medios, en los supercolisionadores de partículas, para viajar comenzando por 1.000 MeV, hasta finalizar en cerca de 10¹⁹ MeV, que corresponde a una escala de longitudes de aproximadamente 10^–30 cm. Howard Georgi, Helen Quinn y Steven Weinberg descubrieron que ésta es la región donde las tres constantes de acoplamiento gauge se hacen iguales (U(1), SU(2) y SU(3)); resultan ser lo mismo. ¿Es una coincidencia que las tres se hagan iguales simultáneamente? ¿Es también una coincidencia que esto suceda precisamente en esa escala de longitud? Faltan sólo tres ceros más para alcanzar un punto de retorno. Howard Georgi y Sheldon Glashow descubrieron un modelo genuinamente unificado en el dominio de energías de 10¹⁹ MeV tal que, cuando se regresa de allí, espontáneamente surgen las tres fuerzas gauge tal como las conocemos. De hecho, ellos encontraron el modelo; la fórmula sería SU(5), que significa que el multiplote más pequeño debe tener cinco miembros.

Materia y Energía Oscura… Un Misterio…Sin resolver.

Y, a todo esto, ¿dónde está esa energía oculta? ¿Y donde la materia? Podemos suponer que la primera materia que se creo en el Universo fue la que llamamos (algún nom,bre había que ponerle) “Materia Oscura”, esa clase de Ilem o sustancia primera del Universo que mejor sería llamarla invisible, ya que, de no ser así, difícil sería explicar cómo se pudieron formar las primeras estrellas y galaxias de nuestro Universo, ¿dónde está el origen de la fuerza de Gravedad que lo hizo posible, sino en esa materia escondida?

¡Lo dicho! Necesitamos saber, y, deseo que de una vez por todas, se cumpla lo que dejó dicho Hilbert en su tumba de Gotinga (Alemania): “Tenemos que saber, ¡sabremos!. Pero…

¡Que sea pronto!

emilio silvera

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Cuando hablamos de “Estrellas de Quarks”,  “Materia Oscura”, “Bosón de Higgs”, “Singularidad”, “vacío”, Supercuerdas”, o,  Teoría de Todo” entre  otros muchos conceptos de física, astrofísica o astronomía no podemos dejar de plantearnos una pregunta: ¿Estará la teoría realmente confirmada o, por el contrario será que los experimentadores han sucumbido bajo la pressión de los teóricos?

En una prestigiosa página de ciencia, en relación al Bosón de Higgs, el pasado día 13 de Julio, se planteaba ésta pregunta: ¿El bosón de Higgs descubierto en el LHC es el predicho por el modelo estándar?

La combinación de todos los resultados experimentales disponibles, tanto en el Tevatrón (CDF+DZero) como en el LHC (Atlas+CMS), indica que el bosón escalar con una masa de 125,5 GeV descubierto el 4 de julio es el bosón de Higgs del modelo estándar. Si no lo es y se trata de un “impostor” (yo suelo llamarle un “primo”), la diferencia entre ambos es muy pequeña. La figura que abre esta entrada muestra que el descubrimiento de la nueva partícula tiene 6,9 sigmas de confianza estadística (la banda gris marca ±1 σ). Además, el cociente entre la tasa de producción de  la nueva partícula y la tasa de producción predicha por el modelo estándar es de solo μ = 1,02 ± 0,15, lo que implica un gran acuerdo con el valor predicho μ = 1. El mejor ajuste combinado para la masa del Higgs es m = 125,5 ± 0,54 GeV, como muestra la figura de abajo.

“En resumen, el ajuste entre la nueva partícula y el bosón de Higgs es muy bueno, luego mientras nadie demuestre lo contrario, se ha descubierto el bosón de Higgs del modelo estándar. Este análisis y las figuras anteriores aparecen en Pier Paolo Giardino, Kristjan Kannike, Martti Raidal, Alessandro Strumia, “Is the resonance at 125 GeV the Higgs boson?,” arXiv:1207.1347, Submitted on 5 Jul 2012. “

(la fuente en Francis (th)E mule Science’s News).

Hablamos de aproximación y nada es aún seguro, queda mucho trabajo por delante para poder confirmar, asegurando que se trata de hecho, del famoso Bosón de Higgs.  Pero, tal y como están las cosas, la inmensa cantidad de dinero que se ha empleado en el Proyecto, las personas que están implicadas en el mismo… nos llevan a plantearnos otra pregunta: ¿Son esos resultados reales o son simplemente el producto de los buenos deseos? Esto último es lo que aveces sospechan los críticos y los historiadores de la Ciencia. Parece que si la teoría no lo necesita, no existe, mientras que si la teoría lo requiere, todos los experimentadores lo verán rápidamente.

Claro que, este comentario está hecho con el mayor respeto hacia los experimentadores a los que, de partida, no considero sospechosos, pero esas ganas de encontrar algo…te puede llevar a “ver” lo que no hay. Un buen científico debe subestimar más que sobreestimar los resultados y la precisión de los mismos y de manera muy especial si esos resultados resultan ser de tanta importancia. Hasta tal punto lo es en este caso que, el mismísimo Modelo Estándar de la Física de Partículas e interacciones, está pendiente de dicha confirmación para saber, de dónde procede la masa de las partículas.

Claro que, en este caso, otros experimentos posteriores nos darán las respuestas definitivas que vendrán, a confirmar aquella primera impresión positiva o, por el contrario (como pasó otras veces) delatará un error cometido. En ambos casos, tendremos la verdad y eso, ya es bastante para saber que caminos debemos o no debemos seguir.

En el tema de la materia oscura, nos encontramos también algo confusos y, tenemos experimentos para todos los gustos. Unos dicen que han  detectado materia oscura alrededor de las galaxias y, más tarde, vienen a decir que no, que no era materia oscura y que la observación se había desviado hacia derroteros engañosos. Muchos son los que confiorman la materia oscura y muchos también, los que la niegan.

Claro que todos  sabemos que “Materia oscura” es la materia hipotética de composición desconocida que no emite o refleja suficiente radiación electromagnética para ser observada directamente con los medios técnicos actuales pero cuya existencia puede inferirse a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas. No se debe confundir la materia oscura con la energía oscura. De acuerdo con las observaciones actuales de estructuras mayores que una galaxia,  así como la cosmología del Big Bang,  la materia oscura constituye la gran mayoría de la masa en el Universo observable. Frits Zwicky la utilizó por primera vez para declarar el fenómeno observado consistente con las observaciones de materia oscura como la velocidad rotacional de las galaxias y las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos, las lentes gravitacionales de objetos de fondo por los cúmulos de galáxias así como el Cúmulo Bala (1E 0657-56) y la distribución de temperatura de gas caliente en galaxias y cúmulos de galaxias. La materia oscura también juega un papel central en la formación de estructuras y la evolución de galaxias y tiene efectos medibles en la anisotropía de la radiación de fondo de microondas. Todas estas líneas de pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y el Universo como un todo contienen mucha más materia que la que interactúa con la radiación electromagnética: lo restante es llamado “el componente de materia oscura”. Claro que, también todo esas anomalías observadas pudieran ser debidas a una fuerza que no hemos podido observar o descubrir, y, también, a cualquier otro factor desconocido de los que tántos esconde el Universo.

Los físicos proponen un mecanismo que explica el origen tanto de la materia oscura como de la materia ordinaria. Este mapa en 3D muestra la distribución a gran escala de la materia oscura, reconstruida a partir de las mediciones realizadas por el método de las lentes gravitatorias débiles con el Telescopio Espacial Hubble. El campo de visión abarca cerca de nueve veces el tamaño de la Luna llena.

 

De la lecturta del último párrafo, uno sale convencido totalmente de que, nadie sabe lo que la “materia oscura” pueda ser. Es como aquel chiste que contaban en el que, un cazador que tenía temblores en los brazos y era el que más pájaros mataba. Uno del grupo, algo mosca, decía: “Claro es que apunta a todos los lados”.

De la misma manera, los “expertos, se curan en salud y dicen que la hipotética “materia oscura” pueden ser: ” los WIMPs y los axiones, cuerpos astronómicos como las estrellas enanas y marrones y los  planetas (colectivamente llamados MACHO) y las nubes de gases no luminosos.” y, seguro que me dejo alguno por detrás, ya que me faltan los neutrinos y los agujeros negros que también, fueron candidatos a “materia oscura”.

En lo que al vacío se refiere, son muchos los conceptos que como vacío está en nuestras bocas y, podemos decir: “Se ha detectado un inmenso vacío en el Universo lejano”. En la página de Astronomía Of The Day de la Nasa, con esa imagen de arriba, nos decían:

“¿Qué ha creado este gigantesco volumen vacío en el Universo? Nadie está aún seguro. Es más: se sigue investigando incluso el tamaño del hueco, estimado en unos millones de años-luz.  El vacío no es un “agujero en el espacio” como podría serlo un agujero negro, sino más bien una inmensa región del Universo en la que al parecer no hay materia normal, o, siquiera, materia oscura. Se cree que el vacío puede contener energía oscura,  sin embargo, y es claramente transparente a la luz.

La existencia de esta zona vacía se postula como posible explicación para la inusuales zonas frías cartografiadas en elmapa de la misión WMAP del fondo cósmico de microondas  (CMB). Una posibilidad es que esta región del fondo cósmico de microondas no esté realmente tan fría,  sino que la luz proveniente de ella haya sufrido, de alguna manera, un desplazamiento cosmológico al rojo mayor que el esperado. Se conocen otros vacíos de estas características en el Universo, pero éste parece tener efectos gravitatorios inusualmente grandes, por lo que podría ser el mayor vacío del Universo conocido. En una investigación sobre el tema, un reciente estudio encontró un número extrañamente reducido de fuentes císmicas de radio entre la Tierra y esta zona fría del fondo cósmico de microondas, dato que llevó a inferir la existencia de esta inmensa zona vacía.” Es decir, continuamos dando palos de ciego y, cuando no sabemos, teorizados y emitimos conjeturas e hipótesis que, no siempre, reflejan la realidad.

Es el estado cuántico con la menor energía posible. Generalmente no contiene partículas físicas. El término “Energía del punto cero” es usado ocasionalmente como sinónimo para el vacío cuántico de un determinado campo cuántico.  De acuerdo a lo que se entiende actualmente por vacío cuántico o “estado de vacío”, este “no es desde ningún punto de vista un simple espacio vacío”. , y otra vez: “es un error pensar en cualquier vacío físico como un absoluto espacio vacío.” De acuerdo con la mecánica cuántica, el vacío cuántico no está verdaderamente vacío sino que contiene ondas electromagnéticas fluctuantes y partículas que saltan adentro y fuera de la existencia.

La existencia del cuanto de acción supone, realmente, la desaparición del vacío como tal. La mínima energía posible en el espacio (fluctuaciones cuánticas) deja de ser cero para pasar a depender del inverso de la distancia considerada. A la menor distancia posible (longitud de Planck = 10-³⁵  metros) , se le asocia una energía considerable, equivalente a una masa de 0,00002 gramos, y si mantuviéramos la misma relación, la masa correspondiente a un metro sería del orden de 1,2 x10²⁴ toneladas. Pero la propia existencia del mínimo cuanto de acción – principio de incertidumbre – determina que las fluctuaciones de energía del vacío queden acotadas, y sean cada vez menores conforme aumenta la distancia. Para las distancias macroscópicas, cotidianas para nosotros, son prácticamente nulas.

Después de leer todo lo anterior, tenemos que pensar y hacernos preguntas sobre lo que es y lo que realmente puede ser. Cierto que, no estamos en disposición de discernir entre la verdad y la mentira de todo lo que se dice y, para no estar seguros, no sabemos, con certeza, ni siquiera si el Big Bang existió y fue el origen del Universo, o, por el contrario, el Universo ya estaba aquí, o, se formó de otra manera.

Muchas de las cosas que se nos presentan como ciertas…No lo son, y, sin embargo, ahí perduran en nuestras mentes como si de algo real se tratara y, pasado el tiempo, se descubre que aquello, no era tal como nos lo contaron sino que, se trataba de algo distinto y totalmente opuesto a lo que fue nuestro credo.

Así hemos venido caminando los componentes de este grupo que forma una especie que llamamos humanidad. Somos curiosos y queremos saber sobre todo lo que a nuestro alrededor pasa, saber cómo pasaron las cosas y llegar a comprender el por qué sucedió así y no de otra manera. Pero la ciencia, la única que nos podía dar una respuesta, no es fácil y exige de ciertas reglas que debemos cumplir y, desde luego, no siempre hemos estado preparados para cumplirlas y, la mejor herramienta que hemos tenido ha sido nuestra Mente. Imaginación y pensamientos que nos llevaron a dibujar en nuestras mentes un “mundo” que no siempre coincide con el mundo pero, de esa manera, hemos avanzado y lo seguimos haciendo.

Bueno, es cierto, y debemos reconocer que aún no sabemos “todo” y, sin embargo, hemos podido llegar a comprender muchas cosas que sí podríamos explicar, todas esas imágenes de arriba y muchas más pueden ser explicadas de manera muy detallada y con abundancia de datos. La Humanidad no está pasara, nunca dejó de moverse y la imaginación que genera sus mentes…evoluciona sin cesar, es una fuente de creación y, aunque sea lentamente (el ritmo lo impone el Universo), vamos sabiendo y, algún día sabremos lo que realmente pueda ser eso que llamamos “materia oscura”, sabremos si el Higgs es el dador de las masas, y podremos comprender sobre el vacío y sus verdaderas propiedades y, además, sabremos sobre otros muchos secretos que el Universo guarda y que, nosotros, humildes humanos, vamos a desvelar.

emilio silvera

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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 materia 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 de la materia que, en realidad, cubre el 99% de toda la materia en nuestro Universo (bueno, hablamos de la materia conocida, esa que llamamos bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones). Sospecho que hay otros estados de la materia que nos son desconocidos, o, que puede existir alguna clase de materia que no hemos podido localizar hasta el momento.

            Filamentos de plasma en los remanentes de Supernovas

 

“Ylem o hylem (forma aumentativa de la palabra griega ὑλη [hylé] = materia) es el nombre dado por Aristóteles a la que consideraba sustancia fundamental de la cual procedería todo ente de materia.”

 

Según la energía de sus partículas, los plasmas constituyen el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, líquidos y gases. Para cambiar de uno al otro, es necesario que se le aporte energía o que disminuya o aumente la temperatura. Si aumentamos de manera considerable 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, absorción 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 rectilínea, 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 curvilíneas 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.

               En aquellos primeros momentos el plasma era lo que prevalecía como materia cósmica primera

 

“Las partículas del gas no tienen tiempo de recombinarse. La presencia de partículas ionizadas (electrones, protones) se da en el espacio, por ejemplo. –O sea que el universo es un plasma. –El 99,99 por ciento de la materia visible del universo está en estado de plasma: el Sol, las estrellas, la materia interestelar…”

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, superando las enormes fuerzas repulsivas inter-nucleares, y lograr su fusión. Puede producirse a presiones desde 10¹⁷ Pa, como en los núcleos estelares, hasta un Pa, como en los reactores experimentales de fusión.

Alcator C-Mod tokamak | Research | MIT Plasma Science and Fusion Center

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.

La tecnología nos acerca a regiones muy lejanas y nos cuenta lo que allí existe. Estos hallazgos están situados a 1.344 años luz de nuestro Sistema solar, la familiar Nebulosa de Orión que guarda muchos secretos que tratamos de desvelar.

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, más tarde situados en el planeta y ambiente adecuados,  tras cumplirse las reglas y cubrir 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 en los que podemos encontrar elementos como el oro y el platino que han sido creados en sucesos de una magnitud aterradora donde las fuerzas desatadas del Universo han quedado sueltas para transformarlo todo.

El H₂ y otras moléculas diatómicas homo-nucleares carecen de espectro rotacional. Detectando las débiles emisiones cuadru-polares 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 radiactiva 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 ultra-fríos, 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 interestelares, 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 aparición 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 maravillándonos 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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