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Plasma, Nebulosas, Gases, elementos, moléculas

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en El Universo    ~    Comentarios Comments (2)

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El plasma no se encuentra en la Tierra en estado natural, su ámbito está en el espacio, en las estrellas y en otros objetos energéticos que suponen la máxima energía que imaginarnos podamos: Estrellas, Esplosiones supernovas y sus remanentes, púlsares y estrellas de neutrones corrientes, magnétares y, si me apurais mucho, incluso en los discos de acreción de los agujeros negros está presente el plasma que es, el estado más abundante de la materia.

El 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 amteria 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 que, en realidad, cubre el 99% del estado de la materia en nuestro Universo (bueno, hablamos de la materia conocida, esa que llamamos bariónica y está formada por átomos de Quarks y Leptones).

Según la energía de us partículas, los plasmas (como digo) constituyen el cuarto estado de agregación de la materia, tras los sólidos, liquidos y gases. Parqa cambiar de uno al otro, es necesario que se le aporte energía que aumente la temperatura. Si aumentamos de manera conasiderable 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, obsorción de fotones, reacciones químicas o nucleares y otros procesos.

Frente de ionización en la Nebulosa del Pelícano

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 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 rectilinea, 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 curvilineas 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.

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.

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                                    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, superándo las enormes fuerzas repulsivas internucleares, y lñograr su fusión. Puede producirse a presiones desde 1017 Pa, como en los núcleos estelares, hasta un Pa, como en los reactores experimentales de fusión.

Foto: 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.

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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.

Rho Ophiuchi

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 Pa, inalcanzable por el hombre.

foto

Lo que ocurre en las Nubes moleculares es tan fantástico que, llegan a conseguir los elementos necesarios para la vida prebiótica que, tras 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.

foto

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.

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 radiativa 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 ultrafríos, 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.

Orión en gas, polvo y estrellas

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 aprición 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 maravilándonos 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.

¡Que me gustaría saber para comprender…lo que el Universo es!

emilio silvera

 

  1. 1
    emilio silvera
    el 13 de agosto del 2012 a las 7:04

    Mirando las diversas imágenes que arriba se muestran, uno puede llegar a comprender lo poco que sabemos, no ya del universo, sino de la materia misma que, siendo dinámica y cambiante, sencilla y compleja, a veces extraña y a veces maravillosamente cautivadora, nos puede llegar a sorprender cuando nos llega el mensaje, y, la luz se hace en nuestras mentes de que, la materia, además de energía es también…¡vida en reposo! que sólo necesita evolucionar desde un estado inerte hasta los pensamientos.
    El medio, el medio en el que la matria se pueda encontrar es el que le marca el cambio, la transición de fase por la que tiene que pasar y, las transmutaciones de un estado a otro hasta llegar a ese en el que ya, deja de ser materia inerte para convertirse en esa materia que podemos llamar ¡nosotros!
    Creo firmemente que el último estado de la materia es la Luz. Todos sabemos que la amteria se compone de Quarks y Leptones (posiblemente los Quarks, puedan, a su vez estar conformados de partículas más sencillas desconocidas aún por nosotros). Sin embargo, en esa materia, sea cual fuere el estado en que se pueda encontrar, están presentes los cuantos de luz que, en última instancia son los que, con un resplandor cegador, salen disparados cuando una estrella masiva explota como supernova y, de la misma manera, debe ocurrir con toda la materia incluída la viviente.
    Si la Mente evoluciona con el Universo, es posible que un día lejano aún en el tiempo sin fin, nosotros nos podamos fundir con él en ese estado, en forma de luz y, como uno sólo, podamos dejar de ser los observadores del Universo para subir en la escala y convertidos en pura luz convertirnos en los pensamientos del universo infinito.
    ¿Qué sentido tendría nuestra presencia aquí si, el universo no tuviera para nosotros algún propósito? Si la realidad fuera que, nosotros, como una colonia de hormigas o bacterias, estuviéramos inmersos en un mundo que no sabe de nosotros y que funciona al margen de lo que podamos o no podamos pensar…entonces, ¡qué decepción! ¡Cuánto dolor para nada! ¡Qué desperdicio de mundos!
    ¡Somos tan ignorantes!
     

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  2. 2
    Fandila
    el 17 de noviembre del 2012 a las 12:10

    Posiblemente. Aunque es posible que el cuanto de luz sea el último aprovechable para nuestro macro, pero no otra cosa.
    “El espectro de luz” del cuerpo negro nos indica una serie discontinua de bandas visibles y unos intermedios oscuros. Las bandas visibles pueden “verse y detectarse” por eso precisamente porque son “visibles”. No es necesario, no obstante, esa visibilidad, pues también hay detectores para frecuencias en una ancha banda en que el margen visible nos aparece como extremadamente pequeño, no se trata ya de fotones en el sentido estricto. El espectro electromagnético, sea “visible” o no, sigue presentando bandas no detectables.
    Eso puede significar que el cuantificado sea de bulto, con arreglo a la materia de que estamos hechos nosotros y el mundo o dimensión en que nos movemos: nosotros y lo macro que sustenta lo normal de nuestra dimensón “superior”. Qué podría detectar la gruesa dimensión normal que no vaya en consonancia con su dimensión…
    Qué energía hay o puede haber en los intervalos entre bandas. ¿Realmente esos intervalos permanecen vacíos de energía?. ¿La discontinuidad significa eso, o el entreverado de las materias de rangos ditintos que puedan ser?
    Si se supone la existencia de vacíos verdaderos intermateriales, la ciencia se echa manos a la cabeza: “No, el vacío no puede existir”. Si se piensa en dimensiones invisibles se dice, casi, que sea otra inconguencia. ¿Dónde está el truco?. Si el continuo no se ve por ningún sitio, cual es la esencia última de lo que existe: ¿la nada que caprichosamente se hace algo en unos puntos determinados?
    Largo lo llevamos, que si se descubren, como ya se entreven casi en la punta de los dedos, cuantos (subcuantos) de Planck, su lógica será absorbida por el supercuanto conocido, y estaremos en las misma, de nuevo elucubrando que hay más allá, es nuestro destino. Y es que lo tangible, lo que nos aprovecha directamente, no está en las profundidades sino en lo practico que nos mantiene vivos cada día. El resto son futuribles.
    Saludos
     
     

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