¡El Plasma! Ese estado de la materia del que están hechas las estrellas

El Plasma, según sabemos, resulta ser el estado de la materia más abundante del Universo. Todos desde pequeños aprendimos aquellos tres estados de la materia que cantábamos en primaria, todos a una, gritándo como posesos: “Los tres estados de la materia son, sólido, líquido y gaseoso”.” Nada nos decían del Plasma, a pesar de que todas las estrellas del universo están conformadas de la materia en  ese estado. El 99% de toda la de la materia del Universo ¡es plasma! Claro que, eso es así si estamos hablando de la materia conocida, esa que llamamos Bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones.

El plasma del remanente de los explosiones supernovas

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 que 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 negativas y potivas. 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.

El plasma está presente en los filamentos de los remanentes de  supernovas

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, donde produce el fenómeno denominado aurora.

Así que, aunque escasos en la Tierra, el Plasma constituye el estado de la materia más conocido y más abundante en el Universo. Como antes decía más del 99% de la materia del Universo está en forma de plasma. 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.

   Bola de plasma en 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.

Algunos han hablado del extraño y misterioso cráter Aristarco de la Luna, en el dicen haber detectado alguna fuente de energía. Sin embargo, particularmente me parece que tales noticias simplemente vienen a desinformar, son licencias que se toman algunos astrónomos para llamar la atenciòn, o, simplemente, dicen ver lo que creen haber visto.

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.

Claro que la materia adopta múltiples formas que llamamos elementos y están esparcidos por todo el Universo y presente en los planetas y demás objetos que pueblan el inmenso espacio. La materia que sabemos conformada por esos pequeños objetos infinitesimales que llamamos partículas elementales y otras que, menos elementales, una vez se han configurado, se juntan para crear los núcleos de los átomos que unidos hacen las moléculas y llevan hasta los elementos que están, de una u otra manera, presentes por el Cosmos.

El Observatorio Espacial Herschel de la ESA ha puesto de manifiesto la presencia de las moléculas orgánicas que son la llave para la vida y que han sido detectadas 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 ejemplar de la Revista Española de Física dedicado al vacío, el tema resulta muy apropiado y nos explican que 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 hace la Naturaleza!

Lo que ocurre en las Nubes moleculares es tan fantástico que llegan a conseguir los elementos necesarios para la vida prebiótica y, allí, en esas inmensas masas de materiales donde nacen las estrellas y los mundos,  que, con los parámetros adecuados se producen todas las complejas transiciones de fase que 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 que, en el inmenso universo, se repite una y otra vez en los cientos de miles de millones de galaxias que son.

En las nebulosas de nueva cuenta observamos manifestaciones plasmáticas: filamentación producida por los campos eléctricos y magnéticos, aceleración de partículas a una marcada energía y radiación luminosa (en distintas longitudes de onda) resultado de distintos mecanismos. En la cercanía del centro de nuestra galaxia se han observado extensos filamentos de plasma, con longitudes de alrededor de 250 años luz, perpendiculares al plano de nuestra galaxia. En el resto de las galaxias se encuentran formaciones similares, sean estas las que se siguen hasta los núcleos de las galaxias activas.

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 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 disorción 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 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 opresión de tales iones y moléculas, y su caracterización puede contribuir a la comprensión de este tipo de procesos.

Pequeña Nube de Magallanes.

Galaxias cercanas están unidas por puentes de plasma conductores de corriente eléctrica (por ejemplo nuestra Via Láctea con las Nubes Magallánicas). Las expulsiones de materia y energía características de los cuasares y los núcleos activos de galaxias son de nuevo formaciones de plasma y la estructura de radio de fondo, que con frecuencia se observa en estos objetos, tiene su origen en las propiedades del plasma. Las simulaciones numéricas de los últimos años muestran que probablemente los fenómenos del plasma deberían tener un rol dominante en la formación de estrellas a partir de la creación de la nube protoestelar, posibilitando la creación de los glóbulos primarios sin tener que cumplimentar el criterio de Jeans en cuanto al tamaño mínimo de la nebulosa e incluso sin una onda “iniciadora” de choque de alguna supernova cercana.

Aparte de los tres familiares estados de la materia que más conocemos: sólido, líquido y gaseoso, también están el Plasma y el Condensado de Bose-Einstein. El plasma (como decía al principio),  es un estado de gas ionizado donde los átomos y moléculas que lo componen han perdido gran parte de sus electrones. Está compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones. No sabemos si es posible que puedan existir otros estados de la materia aún no hallados, como por ejemplo, la materia extraña hecha de Quarks-Gluones.

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 y 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 apuráis un poco…, también la vida.

Y mientras que vamos descubriendo los secretos de la Naturaleza y se van realizando múltiples avances en las disciplinas científicas que nuestra especie ha logrado encausar para conocer cómo funciona el universo, al mismo tiempo y de forma paralela, nuestras ciudades crecen y se modernizan, las sociedades cambian y las costumbres de los pueblos también. El mundo, nuestro pequeño mundo situado en una sistema planetario presidido por una estrella ordinaria, de las que existen cientos de miles en nuestra propia Galaxia, aunque lo es todo para nosotros, no por ello deja de ser una mínima fracción de la Galaxia y una ínfima mota de polvo enel contexto del Universo. Sin embargo nosotros, creemos ser tan importantes que, no pocas veces, confundimos la realidad y mirándonos el ombligo, creemos ser el centro de todo, cuando en realidad… ¡somos tan frágiles! ¡somos tan poca cosa en ese inmenso océano que llamamos universo!

El día que la Humanidad desaparezca… ¡Ninguna estrella llorará por ella! Todo seguirá su ritmo y otras especies surgirán. Claro que, aunque sepamos eso, nada podrá frenar nuestra curiosidad y seguiremos esa aventura que la incansable Humanidad está viviendo mientras persigue el saber del “mundo”.

Emilio Silvera

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