Los estados de la materia y dónde encontrarlos
La materia es de lo que están compuestas las cosas que te rodean: muebles, plantas, edificios, el aire, computadoras, estrellas, galaxias y todo lo que puedas imaginar. Quizá hasta nuestra propia imaginación pueda ser materia y aún sus propiedades no han sido del todo definidas.
El estudio y comprensión de la materia ha sido un tema recurrente en la historia humana, teniendo miles de años de historia sobre cómo es la forma de describir la materia en la escala humana, pensando que materia puede ser descrita por sus dimensiones físicas observables: masa, altura, interacción con el medio, densidad, etc. Así entonces fueron definidos tres estados fundamentales de la materia, los cuales están férreamente ligados a la organización de la materia a escala microscópica: Estado sólido, estado líquido y estado gaseoso. Esta escala estaba estrechamente ligada a la temperatura la cual puede ser alcanzada dentro de nuestro humilde planeta tierra.
Todo bien hasta aquí, es fácil identificar los estados de la materia fundamentales a tu alrededor ¿cierto? Pero; ¿qué pasa con la materia en lugares extremos dentro de nuestra tierra? ¿o en otro lado del universo?
Lugares extremos
No hay que ir muy lejos en el espacio para encontrar materia expuesta a condiciones extremas. El sol está hecho principalmente de hidrógeno con una temperatura en su superficie alrededor de 5700 K sólo en su superficie. La temperatura sigue creciendo a medida que se acerca al centro del Sol, alcanzando los millones de Kelvin. El resultado es que la materia se organiza en forma de plasma, y esto ayuda a que el sol genere reacciones nucleares en su centro, creando elementos más y más complejos quizá por cuantos millones de años más.
¿Dónde podemos encontrar plasma a tu alrededor? Dentro de las llamadas lamparas de plasma, un nombre bastante sugerente para un tubo con gas al vacío.
La materia en el universo
Sin duda uno de los grandes hitos de la astrofísica moderna es presentar pruebas de que en las estrellas están hecha de los mismos elementos químicos presentes a nuestro alrededor. Elementos como el Hidrógeno, el Helio, carbono y muchos otros elementos de la tabla periódica en ciertas cantidades. Fue a través del espectro del sol observado por Joseph von Fraunhofer (1787-1826) que se tuvo la evidencia suficiente para decir tamaña afirmación. Hasta el día de hoy han existido muchos esfuerzos para interpretar los escenarios de la astronomía desde el punto de vista físico, y los estados de la materia son un factor relevante a considerar. Aquí te vengo a contar algunas cosas que hemos aprendido hasta el momento:
1.- Materia en estado gaseoso: Lo mas común.
Basta alejarse de la ciudad un poco para comenzar a ver estructuras en el cielo. ¿Podríamos llamar a todo esas estructuras nubes? Vaya que sí: Son nubes de gas, nubes de polvo que se visualizan en el cielo. Algunas de ellas sólo se dejan observar tapando la luz que viene desde atrás. Un caso muy famoso de estas nebulosas oscuras es el saco de carbón
Fuente: NoirLabs.
Al observar estas estructuras con telescopios es posible acceder a los secretos dentro de las nubes: otras nubes, pero llamadas nebulosas. O sea que literalmente vemos nubes en el cielo. Una nuestra de estas nebulosidades de cerca se nos presenta con la siguiente imagen del telescopio Hubble sobre la región de formación estelas M17.
las nubes de materia a baja densidad y temperatura es la más común de identificar en el espacio interestelar. Las galaxias espirales como nuestra Vía Láctea presentan regiones con gigantescas nubes de gas las que son llamadas “regiones de formación estelar”, un nombre bastante descriptivo. El recién estrenado telescopio James Webb nos da una panorámica de una galaxia espiral intermedia, donde es posible ver la cantidad de materia contenida en sus brazos espirales. En el centro de la galaxia hay tantas estrellas que parece sólo un centro de gran luminosidad.
Los planetas como Júpiter también están compuestos por gas, por supuesto. Al ver de cerca los planetas gaseosos podemos ver rastros de nubes interactuando entre sí. La misión Juno revela detalles de la superficie de Jupiter, y cómo estas interacciones forman ciclones
2.- Estado sólido, producto de la gravedad.
La gravedad actúa sobre cada partícula en el espacio, y cuando se alcanza una cierta densidad de materia colapsa sobre sí mismo formando estructuras, a medida que pasa el tiempo, tiende a la geometría esférica. Por lo tanto, no estamos muy equivocados si nos referimos a las estrellas como bolas de gas esféricas. Desde que una nube de gas y polvo colapsa por su propia masa, empieza a caer sobre una proto-estrella, un objeto que comienza a recolectar toda la materia que cae a su alrededor, pero aún no alcanzan las condiciones de presión y temperatura para generar reacciones nucleares. Son las estrellas, por lo tanto, las que recolectan el material interestelar y lo convierten materia más complejas que sólo hidrógeno.
El escenario de formación estelar es muy corto (alrededor de un millón de años) en comparación al tiempo de vida de una estrella promedio. Hay muchas cosas aún por comprender. La siguiente imagen del telescopio James Webb gráfica el objeto joven estelar LDN1527, en el cual se ve como la materia que rodea un objeto central parece “caer” hacia el centro, formando estructuras nebulosas complejas.
Si un cuerpo sólido no es esférico significa que la masa total del cuerpo no ha sido suficiente para que la gravedad esculpa la forma esférica. Ejemplos de esto son cuerpos sólidos pequeños de baja masa como asteroides, cometas y lunas. Pongo el ejemplo de la luna Pan, que parece un ravioli.
3.- Estado líquido: extrañísimo.
¿Dónde está el agua en el universo? Esta es una de las preguntas que florece en cada persona dedicada al estudio de la naturaleza. Como la vida en nuestro planeta se basa en este preciado líquido, al principio se pensaba que habría por todas partes en el universo; pero sucede todo lo contrario. Los escenarios donde es posible que exista agua líquida son acotados y necesitan muchas condiciones específicas.
Por ejemplo, la luna de Saturno, Titán, cuenta con lagos y ríos de metano y etano líquidos. Estos lagos ofrecen interesantes posibilidades para la posible vida extraterrestre. Además, observaciones recientes indican la posible presencia de océanos bajo la superficie en lunas como Europa de Júpiter y Encelado de Saturno, lo que indica la existencia de agua líquida en el espacio.
Las siguiente imágenes de la luna Enceladus por la sonda Voyager logró visualizar jets o chorros de agua a través de la superficie congelada de Enceladus.
Más estados de la materia aún:
El universo es un basto lugar donde encontrar nuevas cosas. En condiciones específicas la materia puede sufrir transformaciones únicas y quizá aún no reportadas. Eventos astrofísicos extremos como fusiones de estrellas de neutrones o explosiones de supernovas, la materia puede transformarse en estados como plasma de quarks-gluones o materia degenerada. Estos estados requieren condiciones de alta energía para existir.
Algunos de estos estados son:
- Materia Bose-Einstein.
- Cristales de tiempo.
- Materia oscura.
- Materia degenerada (no cumplen el principio de exclusión de Pauli)
- Aquí podría ir un estado de la materia que tu, estimado lector, podrías descubrir.
¿En realidad el sol es un lugar extremo?
Lo impresionante aquí es darse cuenta que nuestro sol es una bola de plasma, y en principio todas las estrellas son bolas de plasma, entonces este estado de la materia es muy común en el universo. Basta apuntar a cualquier estrella para identificar materia en forma de plasma. Quizá todo en realidad sea al revés, y sea el ambiente controlado donde existe esta transición de materia llamada “liquida” lo que potencia a la vida, dadas sus propiedades altamente adaptables al medio ambiente.
Es aquí donde debemos entender que el planeta tierra es extrañísimo, y todo lo que ocurre a nuestro alrededor ocurrido en él es gracias a un ambiente extremadamente controlado y específico, y luego de eso sólo corrió el tiempo.
Por lo demás, agradecido de su tiempo ;)