I. UN ACAPARADOR POCO CONOCIDO
CUANDO uno vive en, y forma parte de una singularidad, es natural que al principio considere que su entorno es representativo de las características generales de todo el sistema y que lo que difiere mucho de nuestra naturaleza es muy escaso. Así, hasta hace sólo unas cuantas décadas imaginábamos que toda la materia del Universo era sólida, líquida o gaseosa, lo que llamamos los tres estados de la materia. Al descubrir el estado de plasma y empezar a estudiar su comportamiento tan singular, se decidió acuñar para éste el término cuarto estado de la materia, pues en conjunto corresponde a un estado de mayor energía que los tres anteriores. Sin embargo, por su temprana aparición en el Universo (ya que según las teorías cosmológicas el Universo nació en forma de plasma) y por su enorme abundancia (pues toda la materia del Universo sigue siendo aún plasma), debería ser el primero.
Sabemos que los átomos, que suelen agruparse en moléculas, son los bloques que constituyen las sustancias ordinarias. Están compuestos de un núcleo cargado con electricidad positiva y un número equivalente de electrones cargados con electricidad negativa. Así, los átomos en su forma completa son eléctricamente neutros. Cuando se extraen del átomo uno o más de sus electrones, lo que queda tiene un exceso de carga positiva y constituye lo que se conoce como un ion. En un caso extremo, un ion puede ser simplemente un puro núcleo atómico al que se le han desprendido todos sus electrones circundantes. Una sustancia que contiene iones, a la vez que conserva los electrones, aunque ya libres del amarre atómico, es un plasma. Así pues, el plasma no es un material particular; sino cierto estado específico de la materia en el que, en conjunto, el material es eléctricamente neutro, pero que contiene iones y electrones libres capaces de moverse en forma independiente.
Se le ha llamado el cuarto estado de la materia porque, en general, equivale a un estado de mayor energía. Una sustancia suficientemente fría se presenta en estado sólido, es decir, tiene una forma específica e internamente se caracteriza por el hecho de que los átomos que la constituyen se encuentran firmemente unidos. Al calentar la sustancia la unión entre los átomos se hace más débil debido a la agitación térmica y la sustancia pasa a otro estado que conocemos como líquido, en el que ya no tiene una forma específica pero ocupa un volumen definido. Al seguir calentando la sustancia sus átomos pueden llegar a liberarse completamente de las ligas mutuas y entonces pasa a un estado de gas, en el que ya no tiene forma ni volumen fijos, sino que dependen de los del recipiente que la contiene. Si esta sustancia se calienta aún más se produce un nuevo cambio, ahora ya en el interior de los átomos, los cuales empiezan a desprenderse de sus electrones, esto es, se ionizan y se forma un plasma. Conforme el material se calienta más, sus átomos se mueven con mayor rapidez y al chocar unos con otros en gran agitación puede originarse el desprendimiento de algunos de sus electrones orbitales, quedando así los átomos ionizados y algunos electrones libres. Por encima de los 10 000 grados Kelvin (ºK), cualquier sustancia ya es un plasma. Los grados Kelvin corresponden a la escala absoluta de temperaturas, en la que no existen temperaturas negativas y el cero absoluto equivale a -273 grados centígrados.
Sin embargo, es importante destacar que el estado de plasma no implica necesariamente altas temperaturas; la ionización de un material puede producirse por diversos medios. Se pueden producir plasmas por descargas eléctricas; si a un gas ordinario se le aplica un campo eléctrico muy fuerte pueden desprenderse algunos de los electrones orbitales, quedando estos átomos ionizados y algunos de sus electrones libres. Estos electrones libres serán acelerados por el campo eléctrico y chocarán con otros átomos, desprendiendo algunos de sus electrones, y así el proceso continúa como una avalancha. Esto es lo que se llama una descarga eléctrica, y un gas ionizado por una descarga eléctrica es un típico caso de un plasma. Tales plasmas se producen en forma natural con los relámpagos o en forma artificial en las lámparas fluorescentes y los tubos de neón, por ejemplo.
Otra forma de obtener un plasma es por medio de la absorción de fotones. Los fotones, que son las partículas de la luz, también desprenden electrones de los átomos cuando chocan con ellos; a este proceso se le llama fotoionización. La mayor parte del plasma que llena el espacio en el Universo ha sido producido por fotoionización, por la luz ultravioleta de las estrellas.
Así pues, cualquier sustancia puede encontrarse en estado de plasma siempre que se den las condiciones para que toda ella o sólo una parte se encuentre ionizada. En la naturaleza existen plasmas que tienen temperaturas tan altas como 1 000 000 000 de grados Kelvin o tan bajas como 100 ºK.
La densidad de los plasmas naturales también varía enormemente; los hay tan tenues que contienen menos de un par electrón-ion por centímetro cúbico y tan densos que llegan a tener del orden de 1025 (un uno seguido de 25 ceros) pares electrón-ion por centímetro cúbico. La mayor parte del plasma en el Universo es hidrógeno, pues éste es, con mucho, el elemento más abundante. El núcleo del hidrógeno tiene una sola carga positiva, está constituido por un solo protón y por lo tanto tiene únicamente un electrón. En un plasma de hidrógeno totalmente ionizado se tienen, pues, protones y electrones libres en una especie de sopa que, aunque eléctricamente neutra, no llega a constituirse en átomos.
Aunque casi toda la materia del Universo se encuentra en forma de plasma, este estado no nos es familiar pues en nuestro entorno cercano es raro y efímero. Estamos rodeados de sólidos, líquidos y gases y sólo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por ejemplo, un relámpago cruza la atmósfera y ioniza momentáneamente el aire, o mientras está encendida una lámpara fluorescente. También la atmósfera se convierte en un plasma cuando ocurre una aurora, ese fenómeno luminoso que se observa en el cielo cerca de los polos y que constituye el espectáculo natural más bello que podamos imaginar. Así mismo, constituyen un plasma los átomos ionizados y sus electrones libres en la estructura cristalina de un metal sólido, siendo estos últimos capaces de moverse con mucha facilidad para transportar una corriente eléctrica.
Pero conforme nos alejamos de la superficie de nuestro planeta nos vamos adentrando cada vez más en el dominio del plasma. La parte alta de nuestra atmósfera, la ionosfera, es un plasma, y el material que puebla nuestro entorno magnético, nuestra magnetosfera, también es un plasma. El medio interplanetario está lleno de plasma, el viento solar; y prácticamente todo nuestro Sol es una esfera de plasma. Del mismo modo el plasma envuelve a todos los demás planetas, y todas las estrellas del Universo son cuerpos de plasma. Además de esto, el plasma llena también el medio interestelar y el espacio intergaláctico. Aristóteles tenía razón y la Naturaleza le tiene horror al vacío: ha llenado todo el espacio de plasma.
En la figura 1 se ve la gran diversidad de condiciones en que aparecen los
plasmas y algunos de los lugares donde se encuentra cada uno de ellos. (Véase
figura 1).
Figura 1. Rango de temperaturas y densidades que abarcan los plasmas. En comparación, los sólidos, los líquidos y los gases sólo existen en rangos pequeños de temperaturas y presiones.
Las escalas lineales para los plasmas varían enormemente, por un factor de 1032. En el laboratorio los plasmas se encuentran hasta en dimensiones del orden de 10-5m; los plasmas magnetosféricos, que constituyen la envoltura de plasma de nuestro planeta y de los demás planetas magnéticos del Sistema Solar, ocupan dimensiones del orden de 108m; la heliosfera, que es la envoltura de plasma de nuestra estrella y que cubre a todos los planetas del Sistema Solar tiene dimensiones del orden de 1015m; las nubes interestelares de plasma ocupan regiones de 1017m, y la distancia de Hubble, que corresponde al límite del Universo observable, es de 1026m. De todo esto hablaremos con más detalle en los capítulos posteriores.
El plasma es tan generalizado en el espacio que casi podríamos equipararlo
con el éter o quintaesencia de los griegos, que de acuerdo con sus ideas constituía
todos los cuerpos por encima de la Tierra y llenaba los mismos cielos. Pero
no obstante su gran abundancia, el plasma espacial tardó mucho tiempo en ser
descubierto. El principal motivo de este retraso es que la radiación que emiten
los plasmas espaciales tiene, en general, frecuencias muy diferentes a las de
la luz. Nuestros ojos sólo son sensibles a emisiones electromagnéticas con frecuencias
dentro de un rango muy reducido, y no podemos ver ni rayos ultravioleta, ni
infrarrojos, ni X, ni gamma (g), como tampoco podemos
ver las ondas de radio (figura 2). Muchas de estas radiaciones ni siquiera logran
atravesar nuestra atmósfera, así, cuando provienen del espacio exterior no es
posible detectarlas en la Tierra.
Figura 2. Descripción esquemática de las diferentes longitudes de onda
en el espectro electromagnético. Las ondas de mayor longitud (menor frecuencia)
corresponden a las ondas de radio; las de menor lonigtud de onda (y más alta
frecuencia) son los rayos gamma (g).
En la figura 3 se muestra la altura sobre la superficie de la Tierra a la cual
penetran los distintos tipos de radiaciones electromagnéticas y los vehículos
que pueden explorar dichas alturas. Como se observa, sólo las radiaciones en
la estrecha banda de la luz visible, algunas en la banda del infrarrojo y las
que caen dentro de otra estrecha banda en la región de radioondas llegan a la
superficie. Estas regiones se conocen como las ventanas óptica y de
radio, respectivamente.
Figura 3. Diferentes alturas sobre la superficie de la Tierra, hasta las que logran penetrar las radiaciones de diferente longitud de onda provenientes del espacio exterior. Nótese que solamente alcanzan la superficie las radiaciones en el estrecho rango de la luz visible, un poco de la región del infrarrojo y una estrecha banda de ondas de radio. En el eje vertical derecho se indican los vehículos exploradores que alcanzan las diversas alturas para registrar todas las radiaciones.
Durante 3 000 años, la civilización humana construyó su conocimiento del Universo observando sólo una región muy estrecha del espectro electromagnético, la que penetra por la ventana óptica. Hasta hace unas cuantas décadas, la única ventana por la que habíamos observado el Universo era ésa y el hombre creía que todo lo que había "allá arriba" era lo que le revelaban sus propios ojos; ni siquiera imaginó que hubiera algo más que escapara a la estrechísima banda que somos capaces de registrar por medio de la vista. El plasma emite (y por lo tanto manifiesta su presencia) en todas las frecuencias del espectro, pero tanto en frecuencias muy altas (ultravioleta, rayos X, rayos g), como en frecuencias muy bajas (ondas de radio), no pudo percibirse sino hasta que se inició la exploración del Universo por la ventana de radio y cuando se colocaron detectores de todas las radiaciones a grandes alturas, por encima de nuestra atmósfera. Nuevos ojos tuvieron que abrirse para ver el universo de plasma y hasta hace menos de dos décadas se pudieron ver los rayos UV, X y g que emiten los plasmas muy calientes. Sin embargo, es importante mencionar que los plasmas también emiten luz visible; la corona solar; el halo blanco que rodea al disco del Sol y que se ha observado durante los eclipses totales desde tiempos muy remotos, es un plasma, aunque sólo hace poco tiempo que lo sabemos.
El plasma se estudia hoy en el laboratorio, donde se produce artificialmente, y mediante observatorios (terrestres y orbitales) que registran las emisiones de los plasmas naturales que nos rodean hasta el infinito. Pero también se le observa in situ, es decir; en la propia región donde se encuentra. Los vehículos espaciales que orbitan o sondean los diversos cuerpos y regiones de nuestro Sistema Solar están en contacto directo con diferentes tipos de plasmas y registran de primera mano sus características químicas, termodinámicas y dinámicas y sus condiciones magnéticas.
Junto con los plasmas (y en cierto modo como consecuencia de ellos) existen en todo el Universo campos magnéticos cuyas líneas permean al plasma, los cuales funcionan a veces como organizadores de la estructura del plasma y en otras ocasiones son arrastrados por el flujo de éste. En la naturaleza, plasmas y campos magnéticos son compañeros inseparables. Pero tampoco faltan las corrientes y los campos eléctricos pues forman, junto con los plasmas y los campos magnéticos, una misma familia indivisible.
UN UNIVERSO FILAMENTOSO Y PARCELADO
El espacio lleno de plasma se nos revela entonces muy distinto del espacio vacío en el que pensábamos hace apenas unas cuantas décadas. El espacio no sólo está ocupado por materia, sino que lo penetran muchas redes de corrientes eléctricas y filamentarias, alineadas por los campos magnéticos que permean el plasma. Se encuentran también en el espacio frentes de choque (discontinuidades) que viajan en el plasma a velocidades supersónicas o que permanecen fijos en el espacio, estableciendo fronteras entre plasmas diferentes. Otras fronteras son establecidas por enormes hojas de corrientes eléctricas y en ocasiones suelen producirse capas dobles, en las cuales se aceleran las partículas hasta energías mucho mayores de las que se alcanzan en nuestros más modernos aceleradores.
Así, hemos descubierto que el espacio no sólo no es homogéneo, sino que está parcelado, esto es, estructurado en diversas regiones dentro de las cuales las condiciones del plasma son distintas; regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras electromagnéticas que parcelan el espacio y establecen una coexistencia pacífica entre plasmas de composición química, temperatura, densidad y magnetizaciones diferentes, y condiciones dinámicas particulares que pueden ser contiguas, pero no se mezclan.
De todo esto hablaremos más adelante en detalle, pero deseamos mencionarlo en esta introducción para destacar el hecho de que el descubrimiento de la presencia universal del plasma y la comprensión cada vez mayor de sus características y de su comportamiento han cambiado profundamente nuestra concepción de los cuerpos y el espacio que constituyen nuestro Universo. Para los antiguos griegos y hasta el Renacimiento, la geometría fue la ciencia que se ocupaba de los cielos; el Universo era un conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos habían de ser descritos. Esta labor de mapeo aún se continúa, con el uso de telescopios más grandes y tecnologías cada vez más complejas. Pero desde Isaac Newton, hace unos trescientos años, el Universo empezó a verse también como un sistema físico regido por fuerzas gravitacionales que ya no sólo determinaban las posiciones y los movimientos, sino que daban cuenta de una evolución. Ahora surge un nuevo cambio. La imagen que nos han revelado las observaciones y registros espaciales de las últimas décadas, la del Universo lleno de plasma, en muchas partes mucho más sensible a las fuerzas electromagnéticas que a las gravitacionales, impone otro punto de vista: la geometría ya hizo su trabajo, la gravitación también ya hizo lo suyo, toca ahora a la física del plasma completar la descripción de nuestro Universo.