La materia en forma de plasma está presente por todo el Universo, las estrellas, los remanentes de supernovas, en púlsares y magnétares, en las estrellas, en las explosiones…

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.

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 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.

                                        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.

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.

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, 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.

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.

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.

emilio silvera

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Todo dependerá de cual sea el de la densidad de materia en el Universo

      La Densidad crítica está referida a la densidad media de materia requerida para que la Gravedad detenga la expansión de nuestro Universo. Así que si la densidad es baja se expandirá para siempre, mientras que una densidad muy alta colapsará finalmente. Si tiene exactamente la densidad crítica ideal, de alrededor de 10-29 g/cm³, es descrito por el modelo de Einstein-de Sitter, que se encuentra en la línea divisoria de estos dos extremos. La densidad media de materia que puede ser observada directamente en nuestro Universo representa sólo el 20% del valor crítico. Puede haber, sin embargo, una gran cantidad de materia oscura que elevaría la densidad hasta el valor crítico. Las teorías de universo inflacionario predicen que la densidad presente debería ser muy aproximada a la densidad crítica; estas teorías requieren la existencia de materia oscura.

Hasta hace poco tiempo, los cosmólogos creían que en futuro de el Universo dependía de la densidad de su masa-energía y admitían dos posibles destinos: 1. El Big Chill 2. El Big Crunch. Pero el (posible) descubrimiento de la energía oscura fue el responsable de la aceleración de la expación y ha planteado otro escenario posible para el destino de el Universo : 3. El Big Rip

          Conforme a lo antes dicho, la densidad media de materia está referida al hecho de distribuir de manera uniforme toda la materia contenida en las galaxias a lo largo de todo el Universo. Aunque las estrellas y los planetas son más densos que el agua (alrededor de 1 g/cm3), la densidad media cosmológica es extremadamente baja, como se dijo antes, unos 10^-29  g/cm3, o 10-5 átomos/cm³, ya que el Universo está formado casi exclusivamente de espacios “vacíos”, virtualmente vacíos, entre las Galaxias. La densidad media es la que determinará si el Universo se expandirá o no para siempre.

          En presencia de grandes masas de materia, tales como planetas, estrellas y Galaxias, está presente el fenómeno descrito por Einstein en su teoría de la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo, eso que conocemos como Gravedad, una fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de las masas y de las distancias que los separan; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado. La Gravitación es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Isaac Newton formuló las leyes de la atracción gravitacional y mostró que un cuerpo se comporta gravitacionalmente como si toda su masa estuviera concentrada en su centro de Gravedad. Así, pues, la fuerza gravitacional actúa a lo largo de la línea que une los centros de Gravedad de las dos masas (como la Tierra y la Luna, por ejemplo).

          En la teoría de la relatividad general, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio que se forma alrededor de la masa que provoca dicha distorsión, cuya importancia iría en función de la importancia de la masa que distorsiona el espacio que, en el caso de estrellas con gran volumen y densidad, tendrán una importancia considerable, igualmente, la fuerza de Gravedad de planetas, satélites y grandes objetos cosmológicos, es importante.

          Esta fuerza es la responsable de tener cohexionado a todo el Universo, de hacer posible que existan las Galaxias, los sistemas solares y que, nosotros mismos, tengamos bien asentados los pies a la superficie de nuestro planeta Tierra, cuya gravedad, tira de nosotros para que así sea.

          No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional resulta ser unos 1040 veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética, muy potente en el ámbito de la mecánica cuántica donde las masas de las partículas son tan enormemente pequeñas que la gravedad es despreciable.

          La Gravitación cuántica es la teoría en la que las interacciones gravitacionales entre los cuerpos son descritas por el intercambio de partículas elementales hipotéticas denominadas gravitones. El Gravitón es el cuanto del campo gravitacional. Los gravitones no han sido observados, aunque se presume que existen por analogía a los fotones de luz.

          La teoría cuántica es un ejemplo de talento que debemos al Físico alemán Max Planck (1.858-1.947) que, en el año 1.900 para explicar la emisión de radiación de cuerpo negro de cuerpos calientes, dijo que la energía se emite en cuantos, cada uno de los cuales tiene una energía igual a hv, donde h es la constante de Planck (E=hv o ħ=h/2л) y v es la frecuencia de la radiación. Esta teoría condujo a la teoría moderna de la interacción entre materia y radiación conocida como mecánica cuántica, que generaliza y reemplaza a la mecánica clásica y a la teoría electromagnética de Maxwell. En la teoría cuántica no relativista se supone que las partículas no son creadas ni destruidas, que se mueven despacio con respecto a la velocidad de la luz y que tienen una masa que no cambia con la velocidad. Estas suposiciones se aplican a los fenómenos atómicos y moleculares y a algunos aspectos de la física nuclear. La teoría cuántica relativista se aplica a partículas que viajan cerca de la velocidad de la luz, como por ejemplo, el fotón.

          Por haberlo mencionado antes me veo obligado a explicar brevemente el significado de “cuerpo negro”. Que está referido a un cuerpo hipotético que absorbe toda la radiación que incide sobre él. Tiene, por tanto, una absorbancia y una emisividad de 1. Mientras que un auténtico cuerpo negro es un concepto imaginario, un pequeño agujero en la pared de un recinto a temperatura uniforme es la mejor aproximación que se puede tener de él en la práctica.

          La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro. Se extiende sobre todo el rango de longitudes de onda y la distribución de energía sobre este rango tiene una forma característica con un máximo en una cierta longitud de onda, desplazándose a longitudes de onda más cortas al aumento de temperaturas (ley de desplazamiento de Wien).

Según la teoría del Big Bang, el Universo se originó en una singularidad espaciotemporal de densidad infinita matemáticamente paradójica. El universo se ha expandido desde entonces, por lo que los objetos astrofísicos se han alejado unos respecto de los otros. Es decir, lo que se ha expandido ha sido el espacio, con lo cual, no se viola el principio de la relatividad de la velocidad de la luz, toda vez que, los objetos, nunca pudieron sobrepasar dicha velocidad.

El universo es la totalidad del espacio y del tiempo, de todas las formas de la materia, la energía y el impulso, las leyes y constantes físicas que las gobiernan. Sin embargo, el término también se utiliza en sentidos contextuales ligeramente diferentes y alude a conceptos como Cosmos, Mundo o Naturaleza.

El Universo es todo lo que podemos tocar, sentir, percibir, medir o detectar. Abarca los cosas vivas, los planetas, las estrellas, las galaxias, las nubes de polvo, la luz e incluso el tiempo. Antes de que naciera el Universo, no existían el tiempo, el espacio ni la materia. Esto es lo que podemos deducir sobre el Universo en cualquier lugar que podamos mirar y, ciertamente, es difícil hacerse una idea a que todo esto, pudiera ser de esta manera. Que a partir de un punto de “infinita densidad y energía surgieran tantas cosas… ¡Es difícil de creer! Sin embargo, es la mejor versión que tenemos. ¡Ah! También los pensamientos son fruto de ese Universo dinámico que, hizo evolucionar la materia hasta la conciencia!

Observaciones astronómicas indican que el universo tiene una edad de entre 13 730 y 13 810 millones de años y por lo menos 93 000 millones de años luz de extensión. El evento que dio inicio al universo se denomina Big Bang. Se denomina Big-Bang a la singularidad que creó el universo. Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse para llegar a su condición actual, y continúa haciéndolo.

Debido a que, según la teoría de la relatividad especial, la materia no puede moverse a una velocidad superior a la velocidad de la luz, puede parecer paradójico que dos objetos del universo puedan haberse separado 93 mil millones de años luz en un tiempo de únicamente 13 mil millones de años; sin embargo, esta separación no entra en conflicto con la teoría de la relatividad general, ya que ésta sólo afecta al movimiento en el espacio, pero no al espacio mismo, que puede extenderse a un ritmo superior, no limitado por la velocidad de la luz. Por lo tanto, dos galaxias pueden separarse una de la otra más rápidamente que la velocidad de la luz si es el espacio entre ellas el que se dilata.

Lo cierto es, amigos míos, que hablamos de todo esto con los datos que hemos podido ir recopilando de las observaciones y, como nuestros aparatos tecnológicos no son perfectos, nada nos puede asegurar de que, todo ésto, sea tal como creemos que es. Tanto el comienzo como el final del Universo, están inmersos en una espesa neblina de ignorancia que, para salir del paso nos hace construir Modelos de lo que podría ser.

emilio silvera

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Astronomía

Mañana la Tierra alcanzará su velocidad máxima

Nuestro planeta se sitúa en su punto más cercano al Sol y se moverá 7.000 kilómetros por hora más rápido

El Sol presentará su máximo diámetro aparente visto desde la Tierra

A principios de año, la Tierra pasa por el punto de su órbita más cercano al Sol, conocido como perihelio. Este año este acontecimiento tendrá lugar mañana, día 4 de enero, a las 11:59 hora peninsular (10:59 Tiempo Universal). La Tierra y el Sol distarán entonces 147,1 millones de kilómetros, unos cinco millones menos que en su posición más alejada, que tiene lugar a principios de julio y se denomina afelio.

Esta “cercanía” al Sol tiene varias consecuencias. Por un lado, el Sol presentará su máximo diámetro aparente visto desde la Tierra. Y, por otro, la Tierra alcanzará la máxima velocidad en su órbita. Concretamente se desplazará a 30,75 kilómetros por segundo (110.700 kilómetros a la hora). Dos kilómetros por segundo más más rápido que en el punto de su órbita más alejado del sol, lo que equivale a 7.164 kilómetros por hora más rápido. Como media, la Tierra se mueve a 107.280 kilómetros por hora.

El primero en darse cuenta de este fenómeno fue el matemático y astrónomo alemán Johannes Kepler. Gracias a las notas de uno de sus maestros, el astrónomo danés Tycho Brahe, el observador más importante del cielo antes de la invención del telescopio, Kepler se dio cuenta de que la órbita que describe la Tierra alrededor del sol no es circular, sino ligeramente elíptica. Esto le llevó a definir la que hoy se conoce como primera ley de Kepler: “Los planetas describen órbitas elípticas alrededor del Sol, que ocupa uno de los focos de la elipse”.

 

 

 

También había observado que la velocidad de la tierra al recorrer su órbita varia. Y lo plasmó en la segunda ley de Kepler: “Cada planeta se mueve de tal manera que la recta imaginaria que le une al centro del Sol (denominada radio vector) barre áreas iguales en tiempos iguales”. El planeta, cuando está más cerca del sol, debe recorrer una distancia mayor y su velocidad aumenta. Durante todo el invierno en el hemisferio norte (verano en el sur), cuando la Tierra y el Sol están más próximos, la velocidad a la que viaja nuestro planeta es mayor. Y el máximo se produce durante el perihelio.

Aunque Kepler enunció las leyes de los movimientos de los planetas, desconocía qué fuerza los obligaba a cumplirlas. Newton, basándose en las observaciones Tycho Brahe, Galileo y Kepler, dio con la causa: la gravedad. Y es su segunda ley la que explica por qué la tierra va a hora más rápido: “La fuerza de atracción entre dos cuerpos de masas separados una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia“. Es decir, cuanto menor sea la distancia al Sol, mayor será la fuerza de gravedad y por tanto la velocidad a la que se desplaza un planeta.

¿Por qué hay estaciones?

 

 

¿Y si estamos más cerca del Sol, por qué es invierno? Dos cosas determinan la cantidad de calor del sol que recibe un planeta. La excentricidad de su órbita y la inclinación de su eje. La excentricidad define cuánto se aparta la órbita de un circulo. La Tierra sigue una órbita casi circular, así que las estaciones vienen determinadas exclusivamente por la inclinación de su eje, que a su vez determina la inclinación con que los rayos solares llegan a la Tierra.

 

 

El eje de rotación de nuestro planeta está inclinado unos 23,5 grados con respecto a la perpendicular del plano de la órbita que describe alrededor del Sol (plano de la eclíptica). Cuanto más perpendiculares incidan los rayos del Sol, menor será el calor que se disipe al atravesar la atmósfera terrestre y será la estación más cálida. En los meses próximos el perihelio (de diciembre a marzo), es el hemisferio Sur el que está inclinado hacia el Sol y allí será verano, mientras en el Norte será invierno.

Para que luego digan que la Física no tiene aplicaciones prácticas…

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La esfera de Agua y roca que a 28 Km/s, deambula por el Espacio alrededor del Sol y nos da el cobijo que necesitamos para seguir evolucionando. Su vida activa dependerá de la del Sol, es decir,  cuando la estrella que nos ofrece luz y calor se convierta en Gigante Roja primero y Enana Blanca después, la Tierra quedará desolada, los océanos se evaporarán y, la Vida, tal como la conocemos habrá desaparecido. ¡Hay que ir pensando en soluciones! ¿Qué falta mucho para eso? Sí, puede ser pero… ¡El Tiempo transcurre inexorable y, el momento llegará!

Nuestro planeta, la Tierra, forma parte del Universo, y, es una prueba indiscutible de que sus componentes biológicos y físicos forman parte de una única red que funciona de un modo autorregulado, y, de esa forma, mantiene las condiciones que son ampliamente adecuadas para la existencia de vida, pero que sufren fluctuaciones a todas las escalas (incluidos los ritmos de alternancia de glaciaciones y periodos interglaciales, así como las extinciones masivas). En un sentido real, la Tierra es el lugar que alberga una red de vida única, y la existencia de esta red (Gaia) sería visible para cualquier forma de vida inteligente que hubiera en Marte o en cualquier otro planeta y que fuera capaz de aplicar la prueba conocida de Lovelock y buscar señales de reducción de la entropía.

      Así se puede medir el Tiempo en el contexto del Universo para calcular las distintas etapas de la Vida

Claro que para que la vida hiciera acto de presencia tuvieron que confluir una serie de hechos que, no siempre, ni en todos los planetas se pueden repetir.

Los estromatolitos son estructuras estratificadas de formas diversas, formados por la captura y fijación de partículas carbonatadas por parte de cianobacterias en aguas someras que, mediante la fotosíntesis, liberan Oxígeno y captan de la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono para formar carbonatos que, al precipitar, dan lugar a la formación de los estromatolitos.

Ni la NASA, tomó nunca la prueba de Lovelock lo suficientemente en serio como para aplicarla a la búsqueda de vida en el Sistema Solar; pero si se lo tomó en serio para buscar vida más allá del Sistema Solar. Ahora, parece que han recapacitado y tenemos en Marte, como decía ayer mismo, a la Mars Phoenix que, de momento ha encontrado hielo de agua, ha diluido porciones de la tierra marciana en agua y debidamente tratada, han hallado la presencia de magnesio, sodio, potasio y cloruros.  Uno de los científicos responsables ha dicho:

“Hay más que evidencia de agua porque las sales están ahí. Además hemos encontrado los compuestos químicos necesarios para la vida como la conocemos. y, lo sorprendente de Marte es que no es un mundo extraño, sino que, en muchos aspectos es igual que la Tierra.”

Los grandes presupuestos gastados en Marte, aunque algunos lo critiquen, puede ser que en el futuro, no muy lejano ya, nos pueda echar una mano y sacarnos de grandes apuros que se vislumbran en el horizonte del Tiempo por venir.

Se están analizando los gases y los compuestos químicos del suelo y del hielo allí encontrados, y, todo ello, debidamente procesado nos dará una respuesta de lo que allí existe.

Lo que para mí está muy claro es que, los mecanismos del Universo son los mismos en cualquier región del cielo, y, las estrellas y los planetas surgen en todas partes de la misma manera. Y, si eso es así, sería lógico pensar que la vida podría estar en cualquier parte, y, además, con muchas probabilidades de que sea más o menos tal como la conocemos, ya que, la nuestra, basada en el Carbono y el Nitrógeno (siempre en presencia de agua), es la más natural dadas las características de estos elementos para unirse.

La historia de la vida en el Universo es otro ejemplo de complejidad superficial construida sobre cimientos de una profunda sencillez. Actualmente la prueba de que el universo tal como lo conocemos surgió a partir de un estado denso y caliente (BIg Bang) hace unos 14.000 millones de años, es poco discutida.

Los bloques de construcción básicos que emergieron del big bang fueron el hidrógeno y el helio, casi exactamente en una proporción de 3:1. Todos los demás elementos químicos (excepto unos leves vestigios de unos pocos elementos muy ligeros, como el litio) han sido fabricados en el interior de las estrellas y dispersados por el espacio cuando estas se dilataron y expulsaron materiales (en algunos casos explotaron) en las últimas etapas de sus vidas como expliqué en comentarios de días pasados.

Una estrella como el Sol genera calor convirtiendo hidrógeno en helio dentro de su núcleo; en otras estrellas los procesos cruciales incluyen fusiones sucesivas de núcleos de helio. Dado que cada núcleo de helio es una unidad que contiene cuatro “nucleones” (dos protones y dos neutrones), y este elemento se denomina abreviadamente helio-4, esto significa que los elementos cuyos núcleos contienen un número de nucleones que es múltiplo de cuatro son relativamente comunes en el universo, excepto el berilio-8, que es inestable.

Concretamente, en las primeras etapas de este proceso se produce carbono-12 y oxígeno-16, y resulta que el nitrógeno-14, aunque no contiene un número entero de núcleos de helio-4, se obtiene como subproducto de una serie de interacciones en las que participan núcleos de oxígeno y de carbono que operan en estrellas de masa un poco mayor que la de nuestro Sol.

 La inmensa complejidad que está presente en el cerebro humano y de cómo se genera lo que llalamos “la mente”, a partir de una maraña de conexiones entre más de cien mil millones de neuronas, más que estrellas existen en nuestra Galaxia, la Vía Láctea. Es algo grande que, en realidad, no hemos alcanzado a comprender.

Con gran diferencia, los elementos más comunes, aparte del hidrógeno y del helio. Dado que éste último es un gas inerte (noble) que no reacciona químicamente, se deduce que los cuatro elemenbtos reactivos más comunes en el universo son el Carbono, el Hidrógeno, el Oxígeno y el Nitrógeno, conocidos en el conjunto por el acrónimo CHON.

No es casualidad que los cuatro elementos químicos que participan con una aplastante mayoría en la composición de los seres vivos de la Tierra sean el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno.

El Carbono desarrolla el papel clave en el desarrollo de la vida, porque un solo átomo de este elemento es capaz de combinarse químicamente nada menos que con otros cuatro átomos al mismo tiempo (incluídos otros átomos de carbono, que pueden estar unidos a su vez  a más átomos de carbono, formando anillos y cadenas), de tal modo que este elemento tiene una química excepcionalmente rica. Así decimos con frecuencia que la vida en la Tierra está basada en el Carbono, el elemento más ductil y crucial en nuestra formación.

El día que podamos viajar a otros mundos, lo que allí podamos encontrar no debe resultarnos nada extraño, ya que, si nos fijamos en lo que tenemos aquí en la Teirra… ¡También podría asombrar a los posibles seres de otros mundos?

Claro que, tal comentario, no implica la negación de quer pudieran existir otras clases de vida basadas en el silicio o en cualquier otra combinación química, pero todas las pruebas que aporta la Astronomía sugieren que es mucho mayor la probabilidad de que la vida más allá de nuestras fronteras esté basada también en el CHON.

Es inadmisible lo poco que la gente común sabe del Universo al que pertenecen y también lo poco que se valora el trabajo de Astrónomos, Astrofísicos y Cosmólogos, ellos son los que realizan las pruebas y las comprobaciones que finalmente nos llevan al conocimiento que hoy tenemos del cielo y de los objetos que lo pueblan y de las fuerzas que allí actúan.

Gran parte de estas pruebas proceden del análisis espectroscópico del material que está presente en las Nebulosas, esas inmensas nubes de gas y polvo que se encuentran en el espacio como resultado de explosiones de supernovas o de otros fenómenos que en el Universo son de lo más frecuente. A partir de esas nubes se forman los sistemas planetarios como nuestro sistema solar, allí, nacen nuevas estrellas que contienen los mismos materiales expulsados por estrellas de generaciones anteriores.

En estas nubes hay muchos compuestos construidos en torno a átomos de carbono, y este elemento es tan importante para la vida que sus compuestos reciben en general el nombre de compuestos “orgánicos”. Entre los compuestos detectados en nubes interestelares hay sustancias muy sencillas, como metano y dióxido de carbono, pero también materiales orgánicos mucho más complejos, entre los que cabe citar el formaldehído, el alcohol etílico, e incluso al menos un aminoácido, la glicina. Lo que constituye un descubrimiento muy esclarecedor, porque es muy probable que toso los materiales existentes en las nubes interestelares hayan estado presentes en la nube a partir de la cual se formó nuestro Sistema Solar, hace unos cinco milo millones de años.

Una protocélula parecida a lo que aparece en la imagen de arrina podría haber sido la precursora de la Vida en la Tierra.

A partir de estos datos, equipos científicos han llevado a cabo en la Tierra experimentos en los que unas materias primas, debidamente tratadas simulando las condiciones de densidad y energías de aquellas nubes interestelares (ahora en laboratorio), dieron como resultado el surgir expontáneo de tres aminoácidos (glicina, serina y alanina). Todos conocemos el experimento de Miller.

En otro experimento utilizando otra mezcla de ingredientes ligeramente distinta, se producian no menos de dieciseis aminoácidos y otros compuestos orgánicos diversos en unas condiciones que eran las existentes en el espacio interestelar.

Para hacernos una idea, las proteínas de todos los seres vivos de la Tierra están compuestas por diversas combinaciones de tan sólo veinte aminoácidos. Todas las evidencias sugieren que este tipo de materia habría caído sobre los jóvenes planetas durante las primeras etapas de formación del sistema planetario, deposita por cometas que habría sido barridos por la influencia gravitatoria de unos palnetas que estaban aumentando de tamaño.

Como hemos podido deducir, una sopa de aminoácidos posee la capacidad de organizarse por sí sóla, formando una red con todas las propiedades que ha de tener la vida. De esto se deduce que los aminoácidos que estuvieron formando durante largos períodos de tiempo en las profundidades del espacio (utilizando energias proporciona por la luz de las estrellas), serían transportados a la superficie de cualquier planeta joven, como la Tierra.

Algunos planetas pueden resultar demasiado calientes para que se desarrolle la vida, y otros demasiado fríos. Pero ciertos planetas como la propia Tierra (existentes a miles de millones), estarían justo a la temperatura adecuada. Allí, utilizando la expresión de Charles Darwin, en alguna “pequeña charca caliente” tendrían la oportunidad de organizarse en sistemas vivos.

Claro que, por mi parte, como dijo aquel famoso Astrofísico inglés del que ahora no recuerdo el nombre:

” milagro no es que aparezca vida fuera de la Tierra, el verdadero milafro sería que no apareciera”.

Y, en cuanto a las condiciones para que haga posible la existencia de vida, conviene ser reservados y no emitir un juicio precipitado, ya que, todos sabemos de la existencia de vida en condiciones que se podrían comparar o denominar de infernales. Así que, estaremos a la espera de que, el Universo nos de una respuesta.

emilio silvera

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“…en alguna pequeña charca caliente, tendrían la oportunidad de hacer el trabajo y organizarse en sistemas vivos…”

Eso comentaba Darwin sobre lo que podría ocurrir en la Naturaleza.

Que, dicho sea de paso, en lo que a la vida se refiere, ésta se abre paso en los lugares más estremos e inesperados por muy malas condiciones que allí puedan estar presentes. Así ocurre con los llamaodos extremófilos que, pueden estar, casi en cualquier sitio.  De hecho, en el lago Untersee de la Antártida, nutrido por glaciares, siempre cubierto de nieve, y muy alcalino, es uno de los lagos más inusuales de la Tierra. Los primeros 70 metros de agua del lago son tan alcalinos que “su pH es como CloroxTM fuerte.  Y para hacerlo todavía más interesante, los sedimentos del lago producen más metano que cualquier otra masa de agua natural que haya en nuestro planeta.En ese entorno, podría estar presente la vida. Algunos investigadores ya han encontrado microbios que viven en el hielo, en agua hirviendo y hasta en reactores nucleares. Estos “extraños” extremófilos pueden ser de hecho normales para la vida en otros sitios del cosmos.

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Hasta que supimos que existían otros sistemas planetarios en nuestra Galaxia, ni siquiera se podía considerar esta posibilidad como una prueba de que la vida planetaria fuera algo común en la Vía Láctea. Pero ahora se sabe que más de cien estrellas de nuestra zona de la galaxia tienen planetas que describen órbitas alrededor de ellas. Casi todos los planetas descubiertos hasta ahora son gigantes de gas, como Júpiter y Saturno (como era de esperar, los planetas grandes se descubrieron primero, por ser más fáciles de detectar que los planetas pequeños), sin embargo es difícil no conjeturar que, allí, junto a estos planetas, posiblemente estarán también sus hermanos planetarios más pequeños que, como la Tierra, pudieran tener condiciones para generar la vida en cualquiera de sus millones de formas.

En trabajos anteriores, ya nos referimos a los elementos más abundantes del Universo: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON).

Lee Smolin, de la Universidad de Waterloo,  Ontario, ha investigado la relación existente entre, por una parte, las estrellas que convierten unos elementos más sencillos en algo como el CHON y arroja esos materiales al espacio, y, por otra parte, las nubes de gas y polvo que hay en éste, que se contrae para formar nuevas estrellas.

Nuestro hogar dentro del espacio, la Vía Láctea, es una entre los cientos de miles de millones de estructuras similares dispersas por todo el Universo visible, y parece ser una más, con todas las características típicas -de tipo medio en cuanto a tamaño, composición química, etc.- La Vía Láctea tiene forma de disco plano, con alrededor de cien mil años luz de diámetro, y está formada por más de cien mil millones de estrellas que describen órbitas en torno al centro del disco.

El Sol, en realidad, sólo es importante para las formas de vida que pueblan el planeta Tierra, y, posiblemente, algunas de las lunas de Júpiter y Saturno, además del subsuelo del planeta Marte. Es sin duda algunaa el cuerpo central de nuestro Sistema Solar, la estrella que envía luz y calor por todo el Sistema solar,y con mucho, la estrella más cercana al planeta Tierra y la única que se puede estudiar con todo lujo de detalles. Se clasifica como una estrella G2V: una estrella amarilla con una temperatura efectiva de 5.770 K (tipo espectral G2) y una enana de la secuencia principal (clase de luminosidad V). Los detalles de su composición son sobradamente sabidos por todos y cabe destacar su abundancia de hidrógeno – 71% en masa- y de helio el 27% y elementos más pesados hasta completarlo. Por lo tanto, nuestro Sol no destaca por nada entre esa multitud de de cientos de miles de millones de estrellas.

Recorre su órbita a una distancia del centro que viene a ser más o menos dos tercios del diámetro. En el centro de la Galaxia las estrellas forman una protuberancia, de tal modo que desde el exterior daría la sensación de estar viendo un enorme huevo frito, en el que la protuberancia sería la yema. Algunos cosmólogos, al no saber explicar lo que se podía observar en el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias, y, en las galaxias mismas al alejarse las unas de las otras a más velocidad de lo que podría suponerse, dieron una explicación de la Vía Láctea en la que, ya introducían la “materia oscura”. Decían:

“Sin embargo, el modo en que este disco gira revela que todo el material brillante (materia bariónica) que compone la parte visible de la Vía Láctea queda sujeto por el tirón gravitatorio de una materia invisible que no brilla ni emite radiación y que viene a ser más o menos diez veces mayor que la materia visible de la Galaxia y que muchos suponen que está diseminada en un halo situado alrededor de ella, extendiéndose mucho más allá del borde del disco de estrellas brillantes.”

 

 

“Mientras los físicos intentan encontrar en los detectores terrestres, aquí mismo, los supuestos extraños componentes de la materia oscura (que representaría, según las teorías vigentes, más del 70% de la masa total de galaxias como la nuestra), los astrónomos se trasladan a través de sus instrumentos a billones de billones de kilómetros por los alrededores de la galaxia para comprobar cómo y dónde se acumula esta materia, distinta de la que forma todo lo que podemos ver y palpar.”

Los científicos teorizan la existencia de materia oscura para explicar las observaciones que sugieren que hay mucha más masa en el universo de la que se puede ver. Ellos creen que la materia oscura debe comprender alrededor del 25% del universo, sin embargo, como las partículas que componen la materia oscura no absorben ni emiten luz, hasta ahora era imposible detectarla.

Descubrir qué es realmente esta materia oscura (yo prefiero llamarla no luminosa o materia escondida) constituye un tema de crucial interés para los astrónomos, pero no entraremos ahora en eso, ya que, para lo que estamos tratando, no tiene importancia. Muchas galaxias en forma de disco se caracterizan por sus formas en una especie de serpentinas que se alejan en espiral desde su centro, lo que hace que se les aplique el nombre de galaxias espirales. Es fácil estudiar las pautas que siguen los llamados “brazos espirales”, porque las galaxias se encuentran relativamente cerca unas de otras, si comparamos estas distancias con sus tamaños.

Andrómeda, la galaxia espiral más cercana comparable a la Vía Láctea, se encuentra con respecto a nosotros a una distancia de poco más de dos millones de años luz; parece una gran distancia, pero la galaxia de Andrómeda es tan grande (un poco mayor que la Vía Láctea) que, incluso a esa distancia, vista desde la Tierra cubre un trozo de cielo del tamaño de la Luna, y puede observarse a simple vista en una noche despejada y sin luz lunar, si nos situamos lejos de las ciudades y de otras fuentes de emisión de luz. Lo cierto es que la galaxia vecina se nos viene encima a razón de 500 Km/s y, dentro de algunos miles de millones de años, se fuionará con la Vía Láctea para conformar una galaxia gigante.

Una nueva galaxia en espiral, la más grande encontrada hasta ahora, fue avistada por un equipo de astrónomos, según se informó en el encuentro de la Sociedad Astronómica de Estados Unidos.

Los brazos espirales, que son una característica tan llamativa en galaxias como la nuestra, son visibles porque están bordeados por estrellas calientes de gran masa que relucen con mucho brillo. Esto significa que también son estrellas jóvenes, ya que no hay estrellas viejas que tengan gran cantidad de masa.

No hay misterio alguno en cuanto al modo en que mantienen esa forma espiral. Se debe exclusivamente a un fenómeno de retroalimentación. Las nubes gigantescas a partir de las cuales se forman las estrellas pueden contener hasta un millón de veces la masa del Sol cuando empieza a contraerse gravitatoriamente para formar estrellas. Cada nube que se contrae produce, no una sola estrella de gran tamaño, sino todo un conglomerado de estrellas, así como muchas estrellas menores. Cuando las estrellas brillantes emiten luz, la energía de esta luz estelar (especialmente en la parte ultravioleta del espectro) forma una burbuja dentro de la nube, y tiende a frenar la formación de más estrellas. Sin embargo, una vez que las estrellas de gran masa han recorrido sus ciclos vitales y han explotado, sembrando además el material interestelar con elementos de distintos tipos, la onda expansiva ejerce presión sobre las nubes interestelares cercanas y hace que éstas comiencen a contraerse.

En las explosiones Supernovas se forman ondas que, a veces, construyen figuras tan hermosas como esta. Gracias al Gran Telescopio (VLT) del Observatorio Eiuropeo Austral los astrónomos consiguieron  por primera vez un modelo en 3D de la explosión de una supernova. Se trata de 1987 A, en la Gran Nebulosa de Magallanes, a unos 180.000 años luz de la Tierra.

Las ondas procedentes de distintas supernovas, al entrecruzarse unas con otras, actúan mutuamente para barrer el material interestelar y formar nuevas nubes de gas y polvo que se contraen produciendo más estrellas y supernovas, en un ejemplo clásico de interacción que se mantiene por sí sola en la que intervienen una absorción de energía (procedentes de las supernovas) y una retroalimentación.

                      Región DR21 de formación de estrellas masivas tomada en infrarrojo

Si la nube es demasiado densa, su parte interna se contraerá gravitatoriamente de manera rápida, formando unas pocas estrellas grandes que recorren sus ciclos vitales rápidamente y revientan la nube en pedazos antes de que puedan formarse muchas estrellas. Esto significa que la generación siguiente de estrellas nace de una nube más delgada, porque ha habido pocas supernovas que barrieran material formando pedazos densos. Si la nube es tan delgada que su densidad queda por debajo de la densidad óptima, nacerán muchas estrellas, y habrá gran cantidad de explosiones supernovas, lo cual producirá gran número de ondas de choque que barrerán el material interestelar, acumulándolo en nubes más densas.

De esta manera, por ambas partes, las retroalimentaciones operan para mantener un equilibrio aproximadamente constante entre la densidad de las nubes y el número de supernovas (y estrellas de tipo Sol) que se producen en cada generación. La propia pauta espiral resulta del hecho de que la galaxia realiza movimiento de rotación y está sometida al tirón gravitatorio que crea la fuerza de marea proveniente de esa materia no luminosa.

                                                   Los pilares de la Creación son nubes moleculares gigantes

Claro que, la materia interestelar es variada. Existen nubes de gas y polvo fríos, que son ricas en interesantes moléculas y se llaman nubes moleculares gigantes; a partir de estas nubes se forman nuevas estrellas (y planetas). Hay nubes de lo que consideraríamos gas “normal”, formadas por átomos y moléculas de sustancias tales como el hidrógeno, y quizá tan caliente como una habitación cerrada durante toda la noche y con la temperatura de dos cuerpos dormidos y emitiendo calor. Además, hay regiones que se han calentado hasta temperaturas extremas mediante la energía procedente de explosiones estelares, de tal modo que los electrones han sido arrancados de sus átomos para formar un plasma cargado de electricidad.

Vacíos cósmicos

“Cuando miramos al cielo, ya sea a ojo desnudo o con el más potente de los telescopios, vemos ahí arriba millones de estrellas y de galaxias que parecen, pero solo parecen, distribuirse uniformemente por el espacio. Sin embargo, a gran escala las cosas no funcionan así. La materia, la que se agrupa en estrellas y galaxias, tiende a concentrarse en determinados puntos, en detrimento de otros. Podríamos decir que la materia forma largos filamentos alrededor de grandes espacios vacíos. Pero algunos de de esos vacíos han desconcertado por completo a los científicos. Se trata de un inmenso espacio de mil millones de años luz de diámetro, el mayor jamas encontrado en todo el Universo, y para el cual los Cosmólogos no han encontrado respuesta. En su interior no hay estrellas, ni galaxias, ni planetas, ni siquiere el más leve signo de radiación…En otras palabras, allí no hay nada. Como un inmenso desierto cósmico, simplemente está ahí, desafiando con su sola presencia todos nuestros conocimientos. ¿Podría ser un agujero negro supergigante, con la masa de cientos de millones de galaxias? ¿O quizá la primera prueba de la existencia de un universo paralelo? Por ahora no lo sabemos…”

Arriba tenéis uno de esos espacios “vacíos” que existen en el Universo. Este es el conocido como vacío de Boötes que fue detectado en 1981 y tiene un radio de unos 180 millones de años-luz y, su centro, se encuentra aproximadamente a unos 500  milones de años-luz de la Vía Láctea. La existencia de grandes vacíos no es sorprendente dado que, las galaxias, llevadas por la fuerza de la Gravedad, tienden a estar situadas en grandes cúmulos y supercúmulos a escalas muy grandes.

También existe una amplia variedad de densidades dentro del medio interestelar. En la modalidad más ligera, la materia que está entre las estrellas es tan escasa que sólo hay un átomo por cada mil centímetros cúbicos de espacio: en la modalidad más densa, las nubes que están a punto de producir nuevas estrellas y nuevos planetas contienen un millón de átomos por centímetro cúbico. Sin embargo, esto es algo muy diluido si se compara con el aire que respiramos, donde cada centímetro cúbico contiene más de diez trillones de moléculas, pero incluso una diferencia de mil millones de veces  en densidad sigue siendo un contraste espectacular.

La cuestión es que, unos pocos investigadores destacaron allá por 1.990 en que todos estos aspectos -composición, temperatura y densidad- en el medio interestelar dista mucho de ser uniforme. Por decirlo de otra manera más firme, no está en equilibrio, y parece que lo que lo mantiene lejos del equilibrio son unos pocos de procesos asociados con la generación de las pautas espirales.

Esto significa que la Vía Láctea como otras galaxias espirales) es una zona de reducción de la entropía. Es un sistema auto-organizador al que mantienen lejos del equilibrio, por una parte, un flujo de energía que atraviesa el sistema y, por otra, como ya se va viendo, la retroalimentación. En este sentido, nuestra Galaxia supera el test de Lovelock para la vida, y además prestigiosos astrofísicos han argumentado que las galaxias deben ser consideradas como sistemas vivos.

El Universo parecía saber que ibamos a venir.

 emilio silvera.

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