Sí, hemos tenido la suerte de venir a caer a un planeta de agua y rocas, y, aunque el plasma se deja ver, lo hace tímidamente, no causa temor. Se sabe que el 99 % de la materia visible en el Universo se encuentra en estado de plasma. Solo nosotros tenemos suerte viviendo en nuestra Tierra, la cual pertenece a ese uno por ciento de otros estados de la materia. Pero incluso en nuestra Tierra encontramos plasma: en los canales de los rayos, en la ionósfera, en las auroras o brillos polares y en la magnetosfera de la Tierra. En el sistema solar el plasma se encuentra en el viento solar, en la magnetósfera de los planetas y cometas. Alrededor de Júpiter y Saturno tenemos incluso plasma que forma toroides gigantescos. El mismo Sol y el resto de las estrellas son gigantescas bolas de plasma y tales fenómenos como son las manchas solares, espículas, erupciones de la cromosfera y protuberancias pertenecen a las manifestaciones plasmáticas típicas. No solo las estrellas, sino que una buena parte de las nebulosas en las galaxias esta compuesta de plasma.

Acaso el más sublime espectáculo de la Tierra sea contemplar las auroras que se forman en los Polos debido a la interacción del plasma solar y las partículas de aire; este espectáculo, al menos en magnitud, palidece con las auroras de Júpiter.

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.

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 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.

En 1920, Santyendra Nath Bose desarrolló una estadística mediante la cual se estudiaba cuándo dos fotones debían ser considerados como iguales o diferentes. Envió sus estudios a Albert Einstein, con el fin de que le apoyara a publicar su novedoso estudio en la comunidad científica y, además de apoyarle, Einstein aplicó lo desarrollado por Bose a los átomos. Predijeron en conjunto el quinto estado de la materia en 1924.

No todos los átomos siguen las reglas de la estadística de Bose-Einstein. Sin embargo, los que lo hacen, a muy bajas temperaturas, se encuentran todos en el mismo nivel de energía.

De la misma manera las simulaciones numéricas muestran, que los brazos espirales de las galaxias pueden ser resultado de la interacción electromagnética y campos magnéticos globales y de ninguna manera son solo manifestaciones gravitacionales. Actualmente es seguro también que las partículas naturalmente más energéticas, las cuales son observadas en la radiación cósmica de fondo, fueron aceleradas  en filamentos espaciales de plasma con doble capa eléctrica (fotones remanentes de la gran explosión, también conocidos como Radiación Cósmica de fondo en Microondas o CMBR por sus siglas en inglés). El Universo no es solamente interacción gravitacional, tal y como habíamos pensado hasta hace poco tiempo. En la formación del Universo contribuyen en la misma medida la interacción electromagnética y sus diversas manifestaciones. Con la introducción de los estudios de rayos X hemos llegado literalmente a un ataque de la física del plasma al estudio de nuestro Universo.

             Las mnanifestaciones de plas en el Universo son… inmensas

El Plasma puede ser producido en distintos medios y regiones del Universo, incluso aquí en la Tierra aparece de vez en cuando cuando las condiciones así lo hace posible.  Para el humano, el ejemplo que quizá sea más conocido sobre plasma, es el canal conductor de los rayos o relámpagos. Los parámetros típicos del rayo son:

• Diámetro del canal conductor ~ 5 cm
• Longitud del canal ~ 3 km
• Corriente ~ 200 kA
• Temperatura ~ 30 000 K
• Duración ~ 10⁻⁴ s
• Velocidad de movimiento ~ 0,1 c  (o sea 30 000 km·s⁻¹)
• Energía ~ 6×10⁸ J
• Área de condensación de carga ~ 3 000 km³

En otros planetas nos encontramos con rayos incluso más grandes: en Venus los rayos tienen una energía total de 2×10¹⁰ J y en Júpiter hasta 3×10¹² J. Los filamentos de plasma están en los remanentes de supernovas y en otras muchas Nebulosas además de en todas las estrellas del firmamento galáctico del Universo.

Claro que, también encontramos plasma en otros lugares del Universo y, como en el caso de arriba, forman parte de un conjunto que no podemos explicar…del todo. El capricho de la Naturaleza ha “construido” este original y simétrico conjunto que hace las delicias de los astrónomos que tratan de averiguar los mecanismos ahí presentes para conformar ese cuadro.

Lo dicho…¡Lo que no esté en el Universo!

emilio silvera

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Cuando miro esa imagen de arriba y otras de Nebulosas grandiosas que llenan inmensas regiones del espacio y que son auténticos semilleros de nuevas estrellas y mundos nuevos, no puedo dejar de pensar en que algo falla ahí. Las nebulosas están formadas por estrellas masivas que al final de sus vidas, explotan como Supernovas o Hipernovas, si tienen mucha masa, y dejan el espacio interestelar sembrado de ese material que vemos en ellas y que ya es complejo y contiene elementos creados en sus hornos nucleares y en la misma explosión. De ese material surgen estrellas de segunda generación y, en algunos casos, son ya de tercera y contienen materiales muy pesados y complejos.

Fijémonos, por ejemplo, en la Nebulosa más grande y más brillante de la Gran Nube de Magallanes, también conocida como 30 Doradus o NGC 2070. Tiene un diámetro de 800 años-luz, con extensiones más débiles hasta los 6.000 años-luz, y contiene medio millón de masas solares de gas ionizado por la potente radiación ultravioleta emitida por las jóvenes estrellas masivas nuevas como se puede ver en la imagen de arriba y que, está producido por la radiación de varios cúmulos de estrellas O y B, incluyendo el cúmulo compacto muy potente R 136 cerca del centro en esa región que vemos azulada. El nombre de la Nebulosa (de la Tarántula) proviene de su forma, que se asemeja a la de una araña.

Las energías que ahí están presentes son enormes y también las fuerzas de marea y los vientos solares que ioniza el gas circundante, infla burbujas y crea filamentos y, sobre todo, ahí surgen nuevas estrellas y quién sabe cuántos nuevos mundos podrán en el futuro albergar alguna clase de vida que deberá su presencia en ellos, a estas grandiosas conglomeraciones de materia. Estas regiones del espacio interestelar nos pueden hacer pensar en lo mucho que de ella puede surgir y lo mucho que ahí, en presencia de materia primigenia y fuerzas energéticas creadoras puede pasar pero…

Nuestra ignorancia es grande y, todavíoa, podemos leer, debajo de imágenes como esta: “Efecto de las lentes gravitacionales fuertes observado por el Telescopio espacial Hubble en Abell 1689 que indica la presencia de materia oscura. Agrandar la imagen para ver las curvaturas producidas por las lentes gravitacionales. Créditos: NASA/ESA“

¿Qué materia oscura es esa? ¿De qué está hecha? ¿De dónde surgió? Por más que agudizo mis pensamientos, las cuentas no me salen y cuando miro un “cuadro” como el que arriba contemplamos, en el que una inmensa pléyade de galaxias emiten su luz para que nuestros telescopios la puedan captar y traernos las imágenes de objetos sitiuados a miles de millones de años-luz de nosotros, no puedo dejar de pensar que todo eso, no se pudo formar a partir del material de las simples nebulosas de la que vemos surgir nuevas estrellas y mundos nuevos.

Tiene que haber algo más que no hemos llegado a descubrir y que, lo estamos presintiendo sin acabar de determinar de qué se trata y qué puede ser lo que hace posible que, cuando una estrella masiva muere y se produce la explosión energética más portente que se conoce, se puedan crear esas inmensas regiones de gas y polvo, de materia que servirá, como decíamos antes, para que surjan estrellas mundos nuevos.

Claro que, una estrella masiva convertida en Supernova no eyecta toda su masa al espacio interestelar, sino que, son sólo las capas exteriores de la estrella la que se convierte en Nebulosa. La mayor parte de la masa de la estrella, se contrae sobre sí misma bajo el peso de su propia masa que genera una intensa gravedad que la convierte en una estrella de neutrones o, en el caso extremo de estrellas muy masivas, en un agujero negro.

Así las cosas, tendremos que concluir que algo falla y que, la masa expulsada de la estrella para formar la Nebulosa no era tan grande como para que de ella, mucho más tarde, puedan surgir muchas estrellas que llenan el catálogo de variedades que conforman la familia estelar, unas más y otras menos masivas y con propiedades diferentes.

Pero si eso es así (que lo es), ¿de dónde ha surgido todo ingente cantidad de materia para que, a partir de una sola estrella puedan nacer tántas? ¿Qué misterio envuelve ésta maravilla? ¿Qué es lo que puede existir en el espacio, que no vemos pero que está ahí y se transforma, cuando las energías de una supernova surgen y lo pueden convertir a ese Ylem que no podemos ver -así llamaban los antiguos griegos a la sustancia cósmica-, en materia ordinaria y corriente, en la materia que vemos, la que emite radiación y conforma todos los objetos que en el Universo vemos desde un mundo hasta una galaxia y también, los seres vivos?

Creo que todo el Universo está permeado de una “sustancia invisible” de una especie de “protomateria”, de algo que aún no es materia y que necesita de una gran energía para poder efectuar la transición de sustancia cósmica transparente e invisible a materia normal y corriente de la que, más tarde, surgirán las estrellas nuevas, los mundos nuevos y,en algunos casos, los seres vivos nuevos también.

Amigos míos, la observación y el experimento, el método científico, nos ha traído hasta aquí, para poder saber de átomos y galaxias, de la Naturaleza y del Universo y las cosas que lo forman pero, existen algunas de esas “cosas” que no han sido aún detectadas por nosotros, que no conocemos y, de esa manera, surgen las dudas a cuestiones que no podemos explicar y preguntas que no podemos contestar. La ciencia sólo tiene un camino: la certeza de las cosas mil veces comprobadas y, aún así, hay que seguir comprobando para cerciorarse de que las comprobaciones eran correctas.

Las conjeturas y las hipótesis están bien, son admisibles en el juego del querer buscar la verdad de las cosas y de las cuestiones que se debaten. Sin embargo, hay que ser conscientes de que, son sólo eso,  conjeturas e hipótesis. Las teorías son el camino hacia la verdad pero no son la verdad, y, precisamente por eso me choca, cuando escucho a científicos “sobresalientes” hablar de “materia oscura”.

Aquí hablamos, comentamos y debatimos y cada cual expone sus ideas y su parecer sobre los asuntos que solemos tratar que,  de manera estelar -nunca mejor dicho- está ocupado por el Universo y por todo lo que lo conforma: Materia, espaciotiempo, fuerzas de la Naturaleza y, a partir de ahí, con esas piezas, se forman todos los demás elementos que aquí barajamos, tales como estrellas y galaxias, nebulosas, agujeros negros, “materia oscura”, los púlsares y los cuásars, y, todo ello conformado por átomos de materia que son pequeños objetos formados ma su vez, por otros aún más pequeños. Así, hemos unido lo pequeño a lo grande y a lo muy grande pero… ¡Nos falta tánto por saber!

Aquí, aunque de vez en cuando fantaseamos con el futuro, y hasta con los viajes en el tiempo, lo cierto es que, no hay lugar para esoterismos ni ideas peregrinas sino que, muy ajustado a lo científico, imponemos unos límites muy bien marcados a los que tenemos que ceñirnos todos y, de ves en cuando, dejamos volar nuestra imaginación pero así lo decimos, que es sólo eso, imaginación y de ninguna manera pretendemos que lo imaginado, por muy sugestivo que nos pueda parecer, lo podamos presentar como un hecho real, ya que…, no lo es.

Se ha comentado alguna vez aquí que muchos acuden a este lugar como posible fuente del saber. Incluso algunos, aquí han podido encontrar los argumentos necesarios para sus trabajos. Y, si eso es así (que parece que lo es), no estaría bien que se jugara a confundir las cosas y, desde luego, nos tenemos que ajustar a lo que es ciencia, es decir, a los hechos comprobados. Ello no impide que, como antes digo, podamos lanzar teorías e hipótesis sobre algunos de los temas tratados, sobre todo, en aquellos casos en los que aún no conocemos la realidad de los hechos, como podría ser el caso de la vida extraterrestre o de la materia oscura.

Tanto en el caso de la posible vida extraterretre como en el de la materia oscura, por ejemplo,  podremos exponer lo que a cada cual le parezca que podría ser, sin embargo, no podemos lanzar ideas estrambóticas sobre como se forman las estrellas, como evolucionan y como finalmente mueren y en qué se convierten, ya que, por sabido y sobradamente comprobado y estudiado, el margen de elucubrar sobre esto es muy limitado al haberse llegado a un nivel aceptable de lo que todo eso puede ser. Las cosas son como son y no como a algunos les gustaría que fuesen.

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Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza. Sabemos de átomos infinitesimales y de cúmulos de galaxias de inmensidades de materia. Sin embargo, ambos, lo pequeño y lo grande, finalmente resultan ser la misma cosa: Quarks y Leptones. El asombro y el vértigo que siente el ser humano ante lo más grande y lo más pequeño generan en él una curiosidad inexplicable. Esa curiosidad le lleva a preguntarse por aquello que sobrepasa los límites del mundo que conoce a través de los sentidos.

Sabemos que las distancias y tamaños en el Universo son tan grandes que superan nuestra capacidad de comprenderlos y, así, una noche estrellada nos empequeñece.   Curiosamente, en el extremo opuesto, pensar en lo más pequeño no nos hace sentirnos grandes. El mundo de los objetos diminutos parece que no existe porque no lo vemos, y sólo cuando se construyeron los primeros microscopios se pudo descubrir un mundo fascinante, poblado de células, bacterias, virus, moléculas e incluso átomos… El mundo invisible es tan infinito y fascinante como el Universo y aunque, por el hecho de no poder verlo, nos cueste imaginarlo y comprenderlo, es un reto acercarnos a la grandeza de lo pequeño.

                                                                                                                                                    el mundo de lo pequeño

                                                           Las galaxias: el mundo de lo grande

El Universo nos fascina, nos cautiva, nos empequeñece a escalas increíbles… Observar el inmenso espacio que nos rodea, gracias a los avances tecnológicos que nos “acercan” esos objetos, mueve al ser humano a buscar respuestas a las preguntas más elementales desde un punto de vista filosófico, pero también nos lleva por el camino del descubrimiento científico. Un caminar constante hacia el conocimiento que no habría sido posible sin herramientas como los telescopios.

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Las reacciones en el núcleo solar consumen entre 4’3 y 4’6 millones de toneladas de materia cada segundo, de manera que de 4.654.000 t de hidrógeno, 4.650.000 se transforman en helio, y las 4.000 toneladas que faltan son lanzadas al espacio en forma de radiación termonuclear (luz y calor) de la que una pequeña parte nos llega a la Tierra para hacer posible la vida.

De acuerdo a la relación masa-energía de Einstein, liberan 3’89×10²⁶ J de energía nuclear. Este inmenso flujo de energía es rápidamente transformado en energía térmica, que es transportado, isotrópicamente, hacia el exterior, primero por irradiación aleatoria y luego más rápidamente por convección direccional.

Suponiendo (como antes apuntaba) que la radiación es isótropa, la potencia de la luz visible que atraviesa cada metro cuadrado de la capa emisora de la fotosfera es aproximadamente de 64 MW. Como en el espacio no hay prácticamente atenuación de la radiación solar, cuando ésta alcanza la órbita de la Tierra tiene una densidad de potencia igual al cociente entre la luminosidad total del Sol (3’89 × 10²⁶ W) y el área de una esfera de radio orbital (que, como promedio, es de unos 150 millones de kilómetros).

Este flujo, tradicionalmente conocido como la constante solar, es la tasa máxima de energía que llega a la parte superior de la atmósfera terrestre. A principios de los años setenta, la NASA utilizó para el diseño de las naves espaciales un valor de la constante solar igual a 1.353 W/m². El flujo ha sido medido directamente en el espacio desde 1.979, cuando el satélite Nimbus 7 obtuvo un valor de 1.371 W/m². En el más reciente satélite de la Solar Maximum Mission lanzado en 1.980 se obtuvo una media ponderada de 1.368’3 W/m².

Las observaciones continuadas desde el espacio han revelado la existencia de una compleja regularidad de pequeñas fluctuaciones de corta duración que, debido a la interferencia de la atmósfera, no habían podido ser observadas anteriormente. Estas fluctuaciones de poca duración (del orden de días a semanas) y de hasta un 0’2 por ciento son debidas al paso de manchas oscuras y fáculas brillantes que arrastra el Sol en su rotación; el ciclo medido es de 11 años, en el que la radiación solar disminuye en un 0’1 por ciento entre el valor máxima y el mínimo.

La longitud de onda de la energía electromagnética emitida por el Sol y que llega a la Tierra varía en más de diez órdenes de magnitud. Va desde la longitud de onda más corta, que corresponde a los rayos gamma y rayos X de menos de 10^-10 m, hasta la longitud de ondas de radio que superan el metro.

El aspecto del espectro de la radiación solar es similar al de un cuerpo negro a 6.000º K. Ambos espectros son especialmente parecidos en el rango de la longitud de onda mayor que la del amarillo, pero para longitudes de onda menores, el espectro solar cae notablemente por debajo de la línea de los 6.000º K. De acuerdo con la ley de desplazamiento de Wien, la emisión máxima a esta temperatura es de 483 nm, cerca del final de la zona azul del espectro visible y próximo al verde.

El flujo de energía se reparte desigualmente entre las tres grandes categorías espectrales: radiación ultravioleta (UV), cuya longitud de onda va desde las más cortas hasta los 400 nm y contribuye con menos del 9 por ciento de la radiación total; la luz visible, que va desde los 400 nm del violeta más lejano hasta los 700 nm del rojo más oscuro y representa un 39 por ciento; y la radiación infrarroja (IR), que representa cerca del 52 por ciento.

Reacción protón-protón para formar helio 4 liberando energía

La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy diferente de la radiación extraterrestre, tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual global es ligeramente inferior a 170 W/m² en los océanos y de unos 180 W/m² en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que Nueva Inglaterra o las regiones de Europa occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe al mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades subárticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Liberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m², mientras que en Pearl Harbor, a 15 Km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m².

La radiación solar media de 170 W/m² representa anualmente una energía de 2’7×10²⁴ J, que equivale a 87 PW. Esta cantidad es casi 8.000 veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Sólo una pequeña fracción de este inmenso flujo es absorbida por los pigmentos de las plantas para realizar la fotosíntesis, y una parte algo mayor, pero también pequeña, se utiliza para calentar las plantas, los cuerpos de los animales y las personas, así como sus refugios.

La radiación también sustenta la vida porque al calentar los océanos, las rocas y los suelos, impulsa funciones fundamentales en la biosfera, tales como el ciclo del agua, la formación de los vientos, el mantenimiento de la temperatura adecuada para que funcionen los procesos metabólicos y la descomposición orgánica. Además, es la causante de la erosión que transporta los nutrientes minerales para la producción primaria de materia orgánica.

            Sección transversal del Sol

A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación solar absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5.800º K), la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300º K (27ª C). El máximo de emisión de esa esfera caliente está en la zona del IR a 966 μm. Como el 99% de la radiación solar llega en longitudes de onda menores de 4 μm y el espectro terrestre apenas alcanza los 3 μm, el solapamiento de frecuencias entre estos dos grandes flujos de energías es mínimo.

Observar la Naturaleza es el único camino que tenemos para obtener las respuestas a tantas preguntas sin contestar. El motor que produce la energía que mantiene la vida en el planeta Tierra es el Sol y, de él debemos aprender para lograr esa energía de fusión que pronto, se hará imprescindible. Los combustibles fósiles no duraran para siempre y, alternativas viables que logren suplir y abastacer las exigencias de las nuevas Sociedades Humanas…Están en la Naturaleza para que, nuestro ingenio, las sepan captar.

Falta mucho aún, en un futuro muy lejano, en el que la Humanidad podrá obtener energías sin fin del disco de Acreción de los Agujeros Negros Supermasivos. Ahí, se encuentran corrientes de energías que, algín día, podrán ser captadas para los distintos usos que, en aquellos momentos del futuro, serán cosa cotidiana para la Humanidad. ¿Abrir agujeros de gusano será uno de los objetivos?

Bueno, según los cálculos realizados por expertos en relatividad General y Agujeros Negros, las energías desatadas en los discos de acreción de estos exóticos objetos, van más allá de lo que conocemos y, sus posibilidades (si algún día podemos dominarla, serán…”infinitas”.

emilio silvera

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