Nanofotónica: luz + nanopartículas = Futuro tecnológico

                                 La Física alcanzó el conocimiento del átomo y conoció sus entrañas

Lo cierto es que no podemos contestar a esa pregunta con propiedad. Sabemos lo que son los seres vivos e incluso, es posible que existan algunas especies que estando vivas ni lo podamos saber ni las podemos detectar. Sabemos de los materiales que son necesarios para que la vida esté presente en nuestro Universo y, en éstas mismas páginas hemos expuestos amplios trabajos sobre el tema de la vida, su posible origen, de cómo se “fabrican” los materiales necesarios para su existencia en las estrellas… Se podría decir, sin andar muy lejos de la verdad, que la vida, es la materia evolucionada hasta el nivel de la consciencia (si nos referimos ala vida en su más alta expresión).

Los meteoritos, como se ha podido demostrar en muchos estudios realizados sobre una diversidad de ellos, son portadores de aminoácidos necesarios para la vida. Recordemos aquí, por ejemplo:

           ¿Estaban aquí las moléculas precursoras de la Vida?

“El meteorito Murchison recibe su nombre de la localidad de Murchison, Victoria en Australia. Los Fragmentos del meteorito que cayeron sobre el pueblo el 28 de septiembre de 1969. El meteorito, una condrita carbonácea tipo II (CM2) contenía aminoácidos comunes como la glicina, alanina y ácido glutámico, pero también algunos poco comunes como la isovalina y pseudoleucina. El informe incial estableció que los aminoácidos eran racémicos, apoyando la teoría de que su fuente era extraterrestre. Se aisló también una mezcla compleja de alcanos que era similar a la encontrada en el experimento de Miller y Urey. La Serina y la treonina se consideran habitualmente como contaminantes terrestres y estos compuestos se encontraban notablemente ausentes en las muestras.”

 

Fragmento del meteorito Murchison y partículas individuales aisladas (se muestran en el tubo de ensayo).

 

“Más investigaciones encontraron que algunos aminoácidos estaban presentes en exceso enantiomérico. La homoquiralidad se considera una propiedad biológica única. Se ponían en entredicho algunas afirmaciones sobre la base de que los aminoácidos que entran en las proteínas no eran racémicos en el meteorito, mientras que el resto si lo eran. En 1997 las investigaciones mostraron que los enantiómeros individuales de Murchison estaban enriquecidos con el isótopo ¹⁵N del nitrógeno en comparación con sus correspondientes terrestres, lo que confirmaba una fuente extraterrestre del exceso del enantiómero L-enantiomer en el sistema solar. A la lista de materiales orgánicos identificados en el material del meteorito se le añadió el poliol en 2001″

 

   Par de granos del meteorito Murchison

“Abundando en la idea de que la homo-quiralidad (la existencia de solo aminoácidos de la serie L y azúcares de la serie D) fue provocada por la deposición de moléculas quirales de los meteoritos, la investigación demostró en 2005 que los aminoácidos como la L–prolina es capaz de catalizar la formación de azúcares quirales. La catálisis es no lineal, lo que significa que la prolina en un exceso enantiomérico del 20% produce una alosa con un exceso enantiomérico del 55% comenzando con el benziloxiacetaldeido en una reacción secuencial de tipo aldólica en un disolvente como el DMF. En otras palabras una pequeña cantidad de aminoácidos quirales podrían explicar la evolución de los azúcares de serie D.”

 

 

Muchos de los meteoritos hallados en la Tierra y venidos del espacio exterior traen muestras de la materia necesaria para la vida

 

Imagen: Fotografía de uno de los fragmentos del meteorito. Las muestras fueron recuperadas para su análisis en un estudio financiado por la NASA | H. Siegfried Via ABC.  La teoría de la Panspermia, que defiende la aparición de la Vida en la Tierra como consecuencia de la llegada a nuestro planeta procedente del espacio exterior de las primeras formas de vida, tiene otra prueba a su . No es la primera vez que se descubren aminoácidos en un meteorito. Anteriormente, científicos del centro Goddard de Astrobiología los habían encontrado en las muestras del cometa Wild-2 y en varios meteoritos ricos en carbono.

Sí, ella también está basada, como todos los animales vivos de la Tierra, en el Carbono

Aunque parezca amorfo y feo en algunas de sus formas y estados, el Carbono puede llegar a conformar las cosas más bellas, tales como… ¡La Vida!

Cada cosa viviente está hecha de carbono. Está en nuestra atmósfera, en la corteza de la tierra y en los cuerpos de las plantas y animales. respiramos, exhalamos dióxido de carbono. Cuando las plantas respiran, toman el dióxido de carbono. Sin carbono, la vida no podría darse. El carbono es el bloque básico todas las formas de vida en la Tierra. Afortunadamente, es también uno de los elementos más abundantes en nuestro planeta. Al igual que toda la materia, el carbono ni se crea ni se destruye, por lo que todos los organismos vivos deben encontrar una manera de volver a utilizar continuamente el suministro finito que se encuentra disponible.

El carbono es el elemento químico que sustenta toda la vida en la Tierra. En la naturaleza existen 92 elementos químicos en natural. Es decir, 92 tipos distintos de átomos. Son las pequeñas piezas que se combinan entre sí para formar toda la materia conocida. Los átomos se combinan para formar moléculas, y las moléculas se unen para formar la materia. Todo lo que vemos a nuestro alrededor se forma con sólo esos 92 elementos. Incluidos nosotros mismos.

El 95% del cuerpo de los seres vivos se compone por sólo cuatro elementos: carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno. De ellos, el carbono es el más importante. Sin él, no podría formarse el ADN. Las proteínas, glúcidos, vitaminas y grasas son compuestos de carbono.

                                                                                        Molécula de Carbono

El carbono es un elemento muy abundante en el Cosmos. Los átomos de carbono se unen entre sí formando largas cadenas que sirven de base para construir otras moléculas más complejas. facilidad para enlazar moléculas es lo que permitió la evolución hasta los organismos vivos. En la tierra primitiva se dio una excelente combinación de grandes cantidades de carbono y agua, que fueron determinantes para el origen de la vida. El carbono es la base química de la vida en presencia de agua que, en el Universo, también está por todas partes.

               Carbono: El protagonista de la vida

También aquí, donde se forman los pensamientos y los sentimientos, el Carbono está presente. Los hidratos de carbono  son una parte necesaria  para cualquier persona sana , ya que aportan el combustible  que el cuerpo necesita  para su actividad  física. El cerebro necesita los lípidos y otros jugos que lo mantienen “engrasado” y a punto.

“La masa con la que nace una estrella determina su historia y, sobre todo, la duración de su vida. Llamamos estrellas masivas a todas aquellas estrellas aisladas que explotan como supernovas al final de su existencia debido al colapso gravitatorio. Para que exploten como supernovas deben tener un mínimo de alrededor de ocho masas solares. Estrellas con menos masa pueden explotar, pero no por sí mismas (deben darse otras condiciones). Y hay parámetros secundarios que pueden introducir cambios, pero la masa es determinante.”

“En cuanto al máximo, el límite está en lo que la naturaleza sea capaz de producir. Hasta hace poco se creía que este límite estaba en torno a monstruos de 150 masas solares, aunque recientes trabajos lo elevan hasta 300. No obstante, no es un dato seguro ya que, cuanto más masiva es una estrella, menos vive, con lo cual estrellas más grandes serían difíciles de observar.”

Verdaderamente si pudiéramos contemplar de cerca, el comportamiento de una estrella cuando llega el final de su vida, veríamos como es, especialmente intrigante las transiciones de fase de una estrella en implosión observada desde un sistema de referencia externo estático, es decir, vista por observadores exteriores a la estrella que permanecen siempre en la misma circunferencia fija en lugar de moverse hacia adentro con la materia de la estrella en implosión. La estrella, vista desde un sistema externo estático, empieza su implosión en la forma en que uno esperaría. Al igual que una pesada piedra arrojada desde las alturas, la superficie de la estrella cae hacia abajo (se contrae hacia adentro), lentamente al principio y luego cada vez más rápidamente. Si las leyes de gravedad de Newton hubieran sido correctas, esta aceleración de la implosión continuaría inexorablemente hasta que la estrella, libre de cualquier presión interna, fuera aplastada en un punto de alta velocidad. Pero no era así según las fórmulas relativistas que aplicaron Oppenheimer y Snyder. En lugar de ello, a medida que la estrella se acerca a su circunferencia crítica su contracción se frena hasta hacerse a paso lento. Cuanto más pequeña se hace la estrella, más lentamente implosiona, hasta que se congela exactamente en la circunferencia crítica y, dependiendo de su masa, explosiona como supernova para formar una inmensa nebulosa o, se transforma en nebulosa planetaria, más pequeña.

Ahí podemos observar a una estrella muy joven, de dos o tres millones de años que, en un futuro lejano será una gran Supernova. Los procesos que podríamos observar al final de la vida de una estrella gigante… ¡Son fascinantes!

En la escena que antes explicábamos, por mucho tiempo que nos quedemos esperando y contemplando el suceso, si uno está en reposo fuera de la estrella (es decir, en reposo en el sistema de referencia externo estático), uno nunca podrá ver que la estrella implosiona a través de la circunferencia crítica. Ese fue el mensaje inequívoco que Oppenheimer y Snyder nos enviaron. Para poder ver eso, habría que estar dentro de la estrella, instalado en la materia que está sufriendo la contracción y, no sabemos porque eso es así.

¿Se debe esta congelación de la implosión a alguna fuerza inesperada de la relatividad general en el interior de la estrella? No, en absoluto, advirtieron Oppenheimer y Snyder. Más bien se debe a la dilatación gravitatoria del tiempo (el frenado del flujo del tiempo) cerca de la circunferencia crítica. Tal como lo ven los observadores estáticos, el tiempo en la superficie de la estrella en implosión debe fluir cada vez más lentamente cuando la estrella se aproxima a la circunferencia crítica; y, consiguientemente, cualquier cosa que ocurre sobre o en el interior de la estrella, incluyendo su implosión, debe aparecer como si el movimiento se frenara poco a poco hasta congelarse.

Por extraño que esto pueda parecer, aún había otra predicción más extrañas de las fórmulas de Oppenheimer y Snyder: si bien es cierto que vista por observadores externos estáticos la implosión se congela en la circunferencia crítica, no se congela en absoluto vista por los observadores que se mueven hacia adentro con la superficie de la estrella. Si la estrella tiene una masa de algunas masas solares y empieza con un tamaño aproximado al del Sol, entonces vista desde su propia superficie implosiona hacia la circunferencia crítica en aproximadamente una hora, y luego sigue implosionando más allá de la criticalidad hacia circunferencias más pequeñas.

Allá por el año 1939, cuando Oppenheimer y Snyder descubrieron estas cosas, los físicos ya se habían acostumbrados al hecho de que el tiempo es relativo; el flujo del tiempo es diferente medido en diferentes sistemas de referencia que se mueven de diferentes formas a través del Universo. Claro que, nunca antes había encontrado nadie una diferencia tan extrema entre sistemas de referencia. Que la implosión se congele para siempre medida en el sistema externo estático, pero continúe avanzando rápidamente superando al punto de congelación medida en el sistema desde la superficie de la estrella era extraordinariamente difícil de comprender. Nadie que estudiara las matemáticas de Oppenheimer y Snyder se sentía cómodo con semejante distorsión extrema del tiempo. Pero ahí estaba, en sus fórmulas. Algunos podían agitar sus brazos con explicaciones heurísticas, pero ninguna explicación parecía muy satisfactoria. No sería completamente entendido hasta finales de los cincuenta.

Fue Wheeler el que discrepó del trabajo de Oppenheimer y Snyder, alegando, con toda la razón que, cuando ellos habían realizado su trabajo, habría sido imposible calcular los detalles de la implosión con una presión realista (presión térmica, presión de degeneración y presión producida por la fuerza nuclear), y con reacciones nucleares, ondas de choque, calor, radiación y expulsión de masa. Sin embargo, los trabajos desde las armas nucleares de los veinte años posteriores proporcionaron justamente las herramientas necesarias.

Presión, reacciones nucleares, ondas de choque, calor radiación y expulsión de masa eran todas ellas características fundamentales de una bomba de hidrógeno; sin ellas, una bomba no explosionaría. A finales de los años cincuenta, Stirling Colgate quedó fascinado por el problema de la implosión estelar. Con el apoyo de Edward Teller, y en colaboración con Richard White y posteriormente Michael May, Colgate se propuso simular semejante implosión en un ordenador. Sin embargo, cometieron un error, mantuvieron algunas de las simplificaciones de Oppenheimer al insistir desde el principio en que la estrella fuera esférica y sin rotación, y, aunque tuvieron en cuenta todos los argumentos que preocupaban a Wheeler, aquello no quedó perfeccionado hasta después de varios años de esfuerzo y, a comienzo de los años sesenta ya estaban funcionando correctamente.

Un día a principio de los años sesenta, John Wheeler entró corriendo en la clase de relatividad de la Universidad de Princeton. Llegaba un poco tarde, pero sonreía con placer. Acababa de regresar de una visita a Livermore donde había visto los resultados de las simulaciones recientes de Colgate y su equipo. Con excitación en su voz dibujó en la pizarra un diagrama tras otro explicando lo que sus amigos de Livermore habían aprendido.

Cuando la estrella en implosión tenía una masa pequeña, desencadenaba una implosión de supernova y formaba una estrella de neutrones precisamente en la forma que Fritz Wicky había especulado treinta años antes. Sin embargo, si la estrella original era más masiva lo que allí se producía (aparte de la explosión supernova) era un agujero negro notablemente similar al altamente simplificado  modelo que veinticinco años  calcularon Oppenheimer y Snyder. Vista desde fuera, la implosión se frenaba y se quedaba congelada en la circunferencia crítica, pero vista por alguien en la superficie de la estrella, la implosión no se congelaba en absoluto. La superficie de la estrella se contraía a través de la circunferencia crítica y seguía hacia adentro sin vacilación.

Lo cierto fue que allí, por primera vez, se consiguió simular por ordenador la implosión que debía producir agujeros negros. Está claro que la historia de todo esto es mucho más larga y contiene muchos más detalles que me he saltado para no hacer largo el trabajo que, en realidad, sólo persigue explicar a ustedes de la manera más simple posible, el trabajo que cuesta obtener los conocimientos que no llegan (casi nunca) a través de ideas luminosas, sino que, son el resultado del trabajo de muchos.

Hoy, sabemos mucho más de cómo finaliza sus días una estrella y, dependiendo de su masa, podemos decir de manera precisa que clase de Nebulosa formará, que clase de explosión (si la hay) se producirá, y, finalmente, si el resultado de todo ello será una estrella enana blanca que encuentra su estabilidad final por medio del Principio de exclusión de Pauli (en mecánica cuántica)que se aplica a los fermiones pero no a los Bosones (son fermiones los quarks, electrones, protones y neutrones), en virtud del cual dos partículas idénticas en un sistema, como los electrones en un átomo o quarks en un hadrón(protón o neutrón, por ejemplo), no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.

La estrella azul cerca del centro de esta imagen es Zeta Ophiuchi. Cuando se ve en luz visible aparece como una estrella roja relativamente débil rodeada de otras estrellas tenues y sin polvo. Sin embargo, en esta imagen infrarroja tomada con campo amplio por el Explorador Infrared Survey de la NASA, o WISE, un punto de vista completamente diferente emerge. Zeta Ophiuchi es en realidad una muy masiva y caliente estrella azul, brillante que traza su camino a través de una gran nube de polvo y gas interestelar.

Una estrella masiva alejándose de su antiguo compañero se manifiesta haciendo un imponente surco a través de polvo espacial, como si se tratase de la proa de un barco. La estrella, llamada Zeta Ophiuchi, es enorme, con una masa de cerca de 20 veces la de nuestro Sol. En esta imagen, en los que se ha traducido la luz infrarroja a colores visibles que vemos con nuestros ojos, la estrella aparece como el punto azul en el interior del arco de choque. Zeta Ophiuchi orbitó una vez alrededor de una estrella aún más grande. Pero cuando la estrella explotó en una supernova, Zeta Ophiuchi se disparó como una bala. Viaja a la friolera velocidad de 24 kilómetros por segundo arrastrando con ella un conglomerado de polvo que distorsiona la región por la que pasa.

Mientras la estrella se mueve través del espacio, sus poderosos vientos empujan el gas y el polvo a lo largo de su camino en lo que se llama un arco de choque. El material en el arco de choque está tan comprimido que brilla con luz infrarroja que  WISE puede captar. El efecto es similar a lo que ocurre cuando un barco cobra velocidad a través del agua, impulsando una ola delante de él.  Esta onda de choque queda completamente oculta a la luz visible. Las imágenes infrarrojas como esta son importantes para arrojar nueva luz sobre lo que ocurre en situaciones similares.

Pero, siguiendo con el tema de las implosiones de las estrellas, ¿Dónde está la razón por la que la materia no se colapsa, totalmente, sobre sí misma? El mismo principio que impide que las estrellas de neutrones y las estrellas enanas blancas implosionen totalmente y que, llegado un momento, en las primeras se degeneran los neutrones y en las segundas los electrones, y, de esa manera, se frena la compresión que producía la gravedad y quedan estabilizadas gracias a un principio natural que hace que la materia normal sea en su mayor parte espacio vacío también permite la existencia de los seres vivos. El nombre técnico es: El Principio de Exclusión de Pauli y dice que dos fermiones (un tipo de partículas fundamentales) idénticos y con la misma orientación no pueden ocupar simultáneamente el mismo lugar en el espacio. Por el contrario, los bosones (otro tipo de partículas, el fotón, por ejemplo) no se comportan así, tal y como se ha demostrado recientemente por medio de la creación en el laboratorio de los condensados de Bose-Einstein.

¿Cuál es la diferencia?

Los bosones son sociables; les gusta estar juntos. Como regla general, cualquier átomo con un número par de electrones más protones más neutrones es un bosón. Así, por ejemplo, los átomos del sodio ordinario son bosones, y pueden unirse para formar condensados Bose-Einstein.

                                                               Los bosones son sociables; los fermiones son antisociales.

Los fermiones, por otro lado, son antisociales. No pueden juntarse en el mismo estado cuántico (por el Principio de Exclusión de Pauli de la mecánica cuántica). Cualquier átomo con un número impar de electrones más protones más neutrones, como el potasio-40, es un fermión.

Pero, estábamos diciendo: “…no pueden poseer un conjunto idéntico de números cuánticos.” A partir de ese principio, sabemos que, cuando una estrella como nuestro Sol deja de fusionar Hidrógeno en Helio que hace que la estrella deje de expandirse y quede a merced de la Gravedad, ésta implosionará bajo el peso de su propia masa, es decir, se contraerá sobre sí misma por la fuerza gravitatoria pero, llegará un momento en el cual, los electrones, debido a ese principio de exclusión de Pauli que les impide estar juntos, se degeneran y se moverán de manera aleatoria con velocidades relativista hasta el punto de ser capaces de frenar la fuerza provocada por la gravedad, y, de esa manera, quedará estabilizada finalmente una estrella enana blanca.

Si hablamos de una estrella supermasiva, su produce la implosión arrojando las capas externas al espacio interestelar mientras que el grueso de la estrella se comprime más y más sin que nada la pueda frenar, aquí no sirve el Principio de exclusión de Pauli para los fermiones y, es tal la fuerza gravitatoria que se desencadena como consecuencia de que la estrella supergigante no puede seguir fusionando y queda a merce4d de una sola fuerza: La Gravedad, que ésta, la comprime hasta lo inimaginable para convertir toda aquella ingente masa en una singularidad, es decir, un punto de densidad y energía “infinitas” que ni la luz puede escapar de allí, y, el tiempo se ralentiza y el espacio se curva a su alrededor.

Si la estrella original es más masiva, la degeneración de los electrones no será suficiente para frenar la fuerza gravitatoria y, los electrones se fusionaran con los protones para convertirse en neutrones que, bajo el mismo principio de exclusión sufrirán la degeneración que frenará la fuerza de gravedad quedando entonces una estrella de neutrones. Por último, si la estrella es, aún más masiva, ni la degeneración de los neutrones será suficiente para frenar la inmensa fuerza gravitatoria generada por la masa de la estrella que, continuará la implosión contrayéndose cada vez más hasta desaparecer de nuestra vista convertida en un agujero negro.

¿Qué forma adoptará, qué transición de fase se produce en la materia dentro de una Singularidad?

¡Resulta todo tan complejo!

emilio silvera