VI. LOS PLASMAS EN EL UNIVERSO
HACE algunos a�os Hannes Alfv�n acu�� el t�rmino universo de plasma para designar al mismo Universo que ya conocemos, pero haciendo �nfasis en el hecho de que el 99% de la materia que lo constituye se halla en estado de plasma. Hay plasmas en todas partes y no hay una sola regi�n del espacio que pudi�ramos considerar vac�a. Es m�s, los plasmas espaciales est�n siempre magnetizados ya que hay campos magn�ticos a todo lo largo y ancho del Universo. El campo magn�tico es pr�cticamente ubicuo.
Pero los campos magn�ticos no simplemente est�n ah�, sino que desempe�an un papel preponderante en la evoluci�n, la estructura y la din�mica del Universo. Es muy probable que sin estos campos los planetas no se hubieran formado, algunas estrellas tampoco se habr�an llegado a condensar y las protogalaxias posiblemente nunca se hubieran desarrollado a partir del tenue gas original sin un campo magn�tico. El significado de la presencia del campo magn�tico en el Sistema Solar; en el espacio interestelar y m�s all� de las galaxias est� siendo reconocido y ahora resulta dif�cil no aceptar la existencia de un campo magn�tico primigenio que llena el espacio intergal�ctico y que ha ayudado a dar forma a las galaxias y a todos los cuerpos estelares en todas las escalas. Sin campo magn�tico no habr�a historia que escribir ni nadie que la escribiera.
Los r�pidos avances de la radioastronom�a a partir de 1945, y los posteriores desarrollos de la astronom�a de luz ultravioleta y rayos X y g debidos a la tecnolog�a espacial, han dado un gran impulso al estudio de los campos magn�ticos c�smicos. Parte de la radiaci�n en estas longitudes de onda y que proviene de cuerpos y ambientes celestes que recibimos en la Tierra es producida simplemente porque el plasma es caliente; pero otra parte se debe a procesos que de una u otra forma incluyen la presencia del campo magn�tico. El estudio de estas emisiones, apoyado en modelos te�ricos y en nuestras experiencias con los plasmas en el laboratorio y en nuestro espacio cercano, nos proporciona mucha informaci�n sobre los plasmas y campos magn�ticos astrof�sicos que se encuentran tan distantes.
La ubicuidad del campo magn�tico y el hecho de que la materia del Universo est� principalmente en estado de plasma se conocen ya desde hace tiempo. Sin embargo, el que la materia est� ionizada y sea altamente conductora de corrientes el�ctricas y sumamente sensible a los campos electromagn�ticos no se ha tomado mucho en cuenta en los modelos fisicomatem�ticos del Universo. La principal raz�n es que las fuerzas electromagn�ticas complican enormemente las ecuaciones de trabajo, adem�s de que, en general, son muy dif�ciles de conocer. Pero por otra parte tambi�n ha existido el prejuicio de que las correcciones introducidas a las im�genes generales ser�an muy peque�as de todas maneras. Ahora sabemos que esto no es as�.
El tremendo poder de las computadoras actuales ha hecho posible llevar a cabo c�lculos tridimensionales completos, tomando en consideraci�n tanto las fuerzas electromagn�ticas como las gravitacionales en los plasmas que llenan el espacio y en aquellos que constituyen los cuerpos estelares. Estas simulaciones han mostrado que un universo lleno de plasma que interact�a tanto gravitacional como electromagn�ticamente se comporta de manera muy distinta a la de un universo de cuerpos celestes separados por un vac�o e interactuando s�lo en forma gravitacional. La principal diferencia est� en que las fuerzas electromagn�ticas son 39 �rdenes de magnitud m�s intensas que las fuerzas gravitacionales, como se aprecia al comparar la atracci�n gravitacional entre dos electrones con su repulsi�n el�ctrica. Aun en las estrellas, donde grandes cantidades de masa se reducen en espacios relativamente peque�os, los fen�menos que ocurren y las estructuras que se forman surgen de una combinaci�n de efectos gravitacionales y efectos de plasma.
Las caracter�sticas de los plasmas astrof�sicos (su densidad, su temperatura y su campo magn�tico) cubren un amplio rango de valores en el Universo. La densidad puede ser de menos de una part�cula por cent�metro c�bico (como en el medio intergal�ctico) hasta muchos billones de billones de part�culas por cent�metro c�bico como (en el interior de las estrellas). La temperatura va desde algunos miles o decenas de miles de grados en los espacios intergal�ctico e interestelar hasta varios millones en el interior de las estrellas. Y los valores del campo magn�tico tambi�n cambian muy dr�sticamente, desde valores de millon�simas de Gauss en el plasma intergal�ctico hasta cientos de miles de Gauss en algunas estrellas. En astrof�sica, pues, es fundamental la investigaci�n de los plasmas magnetizados.
Como ya mencionamos al hablar del Sol, todas las estrellas son bolsas de plasma, aunque de caracter�sticas f�sicas y qu�micas diferentes; bolsas que est�n en equilibrio debido a la acci�n combinada de la presi�n del plasma caliente que las forma y que tiende a expandirlas y la atracci�n gravitacional que las fuerza a colapsarse. El plasma de las atm�sferas estelares se puede considerar como una sopa de iones, electrones, �tomos y mol�culas neutras y radiaci�n electromagn�tica, o fotones. En esta sopa constantemente se est�n ionizando nuevos �tomos, al mismo tiempo que se est�n recombinando iones y electrones para formar �tomos neutros, absorbiendo y emitiendo fotones en estos procesos. Al igual que en el Sol, existen muchas estrellas en las que el equilibrio se pierde en su atm�sfera y la presi�n del plasma vence a la fuerza gravitacional, escapando de la estrella y produciendo un viento estelar.
Al igual que en su atm�sfera, el interior de las estrellas est� en estado de plasma. La densidad y temperatura del plasma en el interior de una estrella aumentan seg�n el estado de avance en su evoluci�n. Para el Sol, que es una estrella de mediana edad, la densidad es del orden de 100 gramos por cent�metro c�bico y la temperatura es del orden de decenas de millones de grados. Pero para una enana blanca, que est� en un estado de evoluci�n posterior (al cual muy probablemente llegar� nuestro sol en varios miles de millones de a�os), la densidad alcanza entre cien mil y cien millones de gramos por cent�metro c�bico.
Las estrellas tambi�n tienen campo magn�tico. En 1899 Bigelow sugiri� que el Sol pod�a ser un im�n gigantesco. Estaba muy impresionado por la notable semejanza entre las l�neas de campo de una esfera imantada y las plumas coronales, que son rayos de material que se ven surgir de los polos del Sol cuando se observa la corona durante un eclipse total. Sin embargo, no exist�a ninguna manera de medir desde la Tierra campos magn�ticos distantes hasta que se descubri� el efecto Zeeman hacia finales del siglo pasado. Este efecto consiste en la multiplicaci�n de las l�neas espectrales de los �tomos cuando emiten luz en un ambiente magn�tico y de este desdoblamiento de l�neas se puede inferir la intensidad del campo. En 1908 Hale us� por primera vez el efecto Zeeman para hacer mediciones del campo magn�tico del Sol y descubri� que las manchas solares est�n permeadas por campos del orden de miles de Gauss. Posteriormente se determin� que el Sol tiene tambi�n un campo general (global) semejante al de un im�n. La tarea, mucho m�s dif�cil, de detectar campos magn�ticos en estrellas m�s distantes, no se pudo realizar sino hasta 1951, cuando Babcok desarroll� equipo de mucha precisi�n. Desde entonces se han investigado muchas estrellas y en gran proporci�n de ellas se han encontrado campos magn�ticos de hasta varios miles de Gauss.
Pero los plasmas densos, calientes y magnetizados no solamente se encuentran en las estrellas comunes, sino tambi�n en otros cuerpos astrof�sicos m�s conspicuos, como los remanentes de supernovas, los pulsares, las estrellas de rayos X, los n�cleos activos de las galaxias y los causares. No importa que caracter�sticas tenga ni qu� nombre le demos. Si es un objeto astral, seguramente contiene materia en estado de plasma y un campo magn�tico considerable.
El plasma que llena el medio interestelar tiene densidades que van desde mucho menos de una part�cula por cent�metro c�bico hasta 1 000 part�culas por cent�metro c�bico en las nubes. Aqu� el gas es principalmente hidr�geno y aproximadamente un 10% de �l est� ionizado por la luz ultravioleta y los rayos X provenientes de las estrellas. Hay tambi�n una peque�a proporci�n de gases met�licos, la cual es muy importante pues estos gases se ionizan muy f�cilmente. Esto asegura que el gas, aun en regiones bastante fr�as donde hay mucho hidr�geno at�mico, es el�ctricamente conductor; es decir; es un plasma.
El campo magn�tico interestelar fue propuesto por Alfv�n y desde 1949 se empezaron a detectar sus efectos. Actualmente, la existencia de estos campos ha sido ampliamente confirmada por las observaciones de radio, las cuales han demostrado tambi�n que su magnitud var�a entre tres millon�simas y una cienmil�sima de Gauss. Sin embargo, estos campos magn�ticos tan d�biles que atraviesan todo el espacio ocupado por las galaxias y que evolucionan y se intensifican conforme la galaxia se desarrolla, son responsables de muchos efectos de importancia fundamental: controlan el movimiento del material y la formaci�n de nubes; desempe�an un papel importante, tal vez esencial, en el nacimiento de las estrellas, y son la causa de ciertos efectos electrodin�micos y de numerosas emisiones de radio, rayos X y rayos g. Son tambi�n responsables de que algunas part�culas se aceleren hasta muy altas energ�as, los llamados rayos c�smicos (que ya mencionamos en el cap�tulo III), las cuales se distribuyen por todo el espacio y bombardean continuamente a la Tierra desde todas direcciones.
En realidad, a pesar de lo que pudiera parecer; la din�mica del medio interestelar es muy compleja. Regiones calientes y fr�as que contienen hidr�geno ionizado y neutro respectivamente, pero ambas con suficiente sensibilidad electromagn�tica como para estar en estado de plasma, se expanden y se comprimen siguiendo la actividad estelar. Las capas de plasma que arrojan las supernovas y las expulsiones menos violentas que forman las nebulosas planetarias comprimen y alteran a su paso las caracter�sticas del plasma del medio interestelar. Algunas de estas interacciones llegan a formar ondas de choque, que son estructuras muy efectivas para acelerar part�culas. En las zonas de hidr�geno ionizado, que tienen temperaturas de m�s de 10 000 grados, el plasma muestra una estructura altamente filamentada.
Al igual que el medio interestelar; el medio intergal�ctico tambi�n contiene plasma, campo magn�tico, radiaci�n electromagn�tica y part�culas de muy alta energ�a (rayos c�smicos). La estructura del campo intergal�ctico se infiere de la forma de las radiogalaxias (fuertes emisoras de radio), las cuales contienen much�sima m�s energ�a magn�tica que cin�tica. Cada vez es m�s evidente que los campos magn�ticos dan la forma y estructura a las galaxias, desempe�an un papel muy importante en su din�mica y que incluso pueden hacerlas explotar.
Hasta ahora, los modelos astrof�sicos que toman en cuenta la sensibilidad del plasma a las fuerzas electromagn�ticas que, como ya mencionamos, empiezan a investigarse con ayuda de las supercomputadoras, han reproducido con �xito gran cantidad de observaciones que no podr�an ser explicadas sin estas fuerzas. Se han podido reproducir tanto la intensidad de la radiaci�n detectada proveniente de radiogalaxias distantes y cuasares, como los complejos mapas de los modelos de radio realizados por los radiotelescopios y se predijo la existencia de una estructura helicoidal de plasma de gran extensi�n en el centro de nuestra V�a L�ctea. En el verano de 1984, usando el Very Large Array (el m�s potente radiotelescopio del mundo, que se encuentra en Nuevo M�xico) los cient�ficos descubrieron este plasma magnetizado en el centro de nuestra galaxia est� estructurado en filamentos helicoidales con una longitud de cientos de a�os luz, lo cual excede en tama�o a todo lo que antes se hab�a pensado que fuera posible que existiera en lo que se refiere a las estructuras de materia organizada en t�rminos de fuerzas gravitacionales �nicamente. En la actualidad, los campos magn�ticos en las galaxias constituyen una de las �reas de m�s r�pido crecimiento en la investigaci�n astrof�sica y el estudio de los campos intergal�cticos es ya tema de simposios internacionales.
