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 caracter�sticas generales de todo el sistema y que lo que difiere mucho de nuestra naturaleza es muy escaso. As�, hasta hace s�lo unas cuantas d�cadas imagin�bamos que toda la materia del Universo era s�lida, l�quida 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 decidi� acu�ar para �ste el t�rmino cuarto estado de la materia, pues en conjunto corresponde a un estado de mayor energ�a que los tres anteriores. Sin embargo, por su temprana aparici�n en el Universo (ya que seg�n las teor�as cosmol�gicas el Universo naci� en forma de plasma) y por su enorme abundancia (pues toda la materia del Universo sigue siendo a�n plasma), deber�a ser el primero.
Sabemos que los �tomos, que suelen agruparse en mol�culas, son los bloques que constituyen las sustancias ordinarias. Est�n compuestos de un n�cleo cargado con electricidad positiva y un n�mero equivalente de electrones cargados con electricidad negativa. As�, los �tomos en su forma completa son el�ctricamente neutros. Cuando se extraen del �tomo uno o m�s 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 n�cleo at�mico 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 at�mico, es un plasma. As� pues, el plasma no es un material particular; sino cierto estado espec�fico de la materia en el que, en conjunto, el material es el�ctricamente 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 energ�a. Una sustancia suficientemente fr�a se presenta en estado s�lido, es decir, tiene una forma espec�fica e internamente se caracteriza por el hecho de que los �tomos que la constituyen se encuentran firmemente unidos. Al calentar la sustancia la uni�n entre los �tomos se hace m�s d�bil debido a la agitaci�n t�rmica y la sustancia pasa a otro estado que conocemos como l�quido, en el que ya no tiene una forma espec�fica pero ocupa un volumen definido. Al seguir calentando la sustancia sus �tomos 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 a�n m�s se produce un nuevo cambio, ahora ya en el interior de los �tomos, los cuales empiezan a desprenderse de sus electrones, esto es, se ionizan y se forma un plasma. Conforme el material se calienta m�s, sus �tomos se mueven con mayor rapidez y al chocar unos con otros en gran agitaci�n puede originarse el desprendimiento de algunos de sus electrones orbitales, quedando as� los �tomos ionizados y algunos electrones libres. Por encima de los 10 000 grados Kelvin (�K), 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 cent�grados.
Sin embargo, es importante destacar que el estado de plasma no implica necesariamente altas temperaturas; la ionizaci�n de un material puede producirse por diversos medios. Se pueden producir plasmas por descargas el�ctricas; si a un gas ordinario se le aplica un campo el�ctrico muy fuerte pueden desprenderse algunos de los electrones orbitales, quedando estos �tomos ionizados y algunos de sus electrones libres. Estos electrones libres ser�n acelerados por el campo el�ctrico y chocar�n con otros �tomos, desprendiendo algunos de sus electrones, y as� el proceso contin�a como una avalancha. Esto es lo que se llama una descarga el�ctrica, y un gas ionizado por una descarga el�ctrica es un t�pico caso de un plasma. Tales plasmas se producen en forma natural con los rel�mpagos o en forma artificial en las l�mparas fluorescentes y los tubos de ne�n, por ejemplo.
Otra forma de obtener un plasma es por medio de la absorci�n de fotones. Los fotones, que son las part�culas de la luz, tambi�n desprenden electrones de los �tomos cuando chocan con ellos; a este proceso se le llama fotoionizaci�n. La mayor parte del plasma que llena el espacio en el Universo ha sido producido por fotoionizaci�n, por la luz ultravioleta de las estrellas.
As� pues, cualquier sustancia puede encontrarse en estado de plasma siempre que se den las condiciones para que toda ella o s�lo 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 �K.
La densidad de los plasmas naturales tambi�n var�a enormemente; los hay tan tenues que contienen menos de un par electr�n-ion por cent�metro c�bico y tan densos que llegan a tener del orden de 1025 (un uno seguido de 25 ceros) pares electr�n-ion por cent�metro c�bico. La mayor parte del plasma en el Universo es hidr�geno, pues �ste es, con mucho, el elemento m�s abundante. El n�cleo del hidr�geno tiene una sola carga positiva, est� constituido por un solo prot�n y por lo tanto tiene �nicamente un electr�n. En un plasma de hidr�geno totalmente ionizado se tienen, pues, protones y electrones libres en una especie de sopa que, aunque el�ctricamente neutra, no llega a constituirse en �tomos.
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 ef�mero. Estamos rodeados de s�lidos, l�quidos y gases y s�lo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por ejemplo, un rel�mpago cruza la atm�sfera y ioniza moment�neamente el aire, o mientras est� encendida una l�mpara fluorescente. Tambi�n la atm�sfera se convierte en un plasma cuando ocurre una aurora, ese fen�meno luminoso que se observa en el cielo cerca de los polos y que constituye el espect�culo natural m�s bello que podamos imaginar. As� mismo, constituyen un plasma los �tomos ionizados y sus electrones libres en la estructura cristalina de un metal s�lido, siendo estos �ltimos capaces de moverse con mucha facilidad para transportar una corriente el�ctrica.
Pero conforme nos alejamos de la superficie de nuestro planeta nos vamos adentrando cada vez m�s en el dominio del plasma. La parte alta de nuestra atm�sfera, la ionosfera, es un plasma, y el material que puebla nuestro entorno magn�tico, nuestra magnetosfera, tambi�n es un plasma. El medio interplanetario est� lleno de plasma, el viento solar; y pr�cticamente todo nuestro Sol es una esfera de plasma. Del mismo modo el plasma envuelve a todos los dem�s planetas, y todas las estrellas del Universo son cuerpos de plasma. Adem�s de esto, el plasma llena tambi�n el medio interestelar y el espacio intergal�ctico. Arist�teles ten�a raz�n y la Naturaleza le tiene horror al vac�o: 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. (V�ase
figura 1).
Figura 1. Rango de temperaturas y densidades que abarcan los plasmas. En comparaci�n, los s�lidos, los l�quidos y los gases s�lo existen en rangos peque�os de temperaturas y presiones.
Las escalas lineales para los plasmas var�an enormemente, por un factor de 1032. En el laboratorio los plasmas se encuentran hasta en dimensiones del orden de 10-5m; los plasmas magnetosf�ricos, que constituyen la envoltura de plasma de nuestro planeta y de los dem�s planetas magn�ticos 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 l�mite del Universo observable, es de 1026m. De todo esto hablaremos con m�s detalle en los cap�tulos posteriores.
El plasma es tan generalizado en el espacio que casi podr�amos equipararlo
con el �ter o quintaesencia de los griegos, que de acuerdo con sus ideas constitu�a
todos los cuerpos por encima de la Tierra y llenaba los mismos cielos. Pero
no obstante su gran abundancia, el plasma espacial tard� mucho tiempo en ser
descubierto. El principal motivo de este retraso es que la radiaci�n que emiten
los plasmas espaciales tiene, en general, frecuencias muy diferentes a las de
la luz. Nuestros ojos s�lo son sensibles a emisiones electromagn�ticas 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 atm�sfera, as�, cuando provienen del espacio exterior no es
posible detectarlas en la Tierra.
Figura 2. Descripci�n esquem�tica de las diferentes longitudes de onda
en el espectro electromagn�tico. Las ondas de mayor longitud (menor frecuencia)
corresponden a las ondas de radio; las de menor lonigtud de onda (y m�s 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 electromagn�ticas y los veh�culos
que pueden explorar dichas alturas. Como se observa, s�lo 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 regi�n de radioondas llegan a la
superficie. Estas regiones se conocen como las ventanas �ptica 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. N�tese que solamente alcanzan la superficie las radiaciones en el estrecho rango de la luz visible, un poco de la regi�n del infrarrojo y una estrecha banda de ondas de radio. En el eje vertical derecho se indican los veh�culos exploradores que alcanzan las diversas alturas para registrar todas las radiaciones.
Durante 3 000 a�os, la civilizaci�n humana construy� su conocimiento del Universo observando s�lo una regi�n muy estrecha del espectro electromagn�tico, la que penetra por la ventana �ptica. Hasta hace unas cuantas d�cadas, la �nica ventana por la que hab�amos observado el Universo era �sa y el hombre cre�a que todo lo que hab�a "all� arriba" era lo que le revelaban sus propios ojos; ni siquiera imagin� que hubiera algo m�s que escapara a la estrech�sima 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 inici� la exploraci�n del Universo por la ventana de radio y cuando se colocaron detectores de todas las radiaciones a grandes alturas, por encima de nuestra atm�sfera. Nuevos ojos tuvieron que abrirse para ver el universo de plasma y hasta hace menos de dos d�cadas se pudieron ver los rayos UV, X y g que emiten los plasmas muy calientes. Sin embargo, es importante mencionar que los plasmas tambi�n 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 s�lo 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 tambi�n se le observa in situ, es decir; en la propia regi�n donde se encuentra. Los veh�culos espaciales que orbitan o sondean los diversos cuerpos y regiones de nuestro Sistema Solar est�n en contacto directo con diferentes tipos de plasmas y registran de primera mano sus caracter�sticas qu�micas, termodin�micas y din�micas y sus condiciones magn�ticas.
Junto con los plasmas (y en cierto modo como consecuencia de ellos) existen en todo el Universo campos magn�ticos cuyas l�neas 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 �ste. En la naturaleza, plasmas y campos magn�ticos son compa�eros inseparables. Pero tampoco faltan las corrientes y los campos el�ctricos pues forman, junto con los plasmas y los campos magn�ticos, una misma familia indivisible.
UN UNIVERSO FILAMENTOSO Y PARCELADO
El espacio lleno de plasma se nos revela entonces muy distinto del espacio vac�o en el que pens�bamos hace apenas unas cuantas d�cadas. El espacio no s�lo est� ocupado por materia, sino que lo penetran muchas redes de corrientes el�ctricas y filamentarias, alineadas por los campos magn�ticos que permean el plasma. Se encuentran tambi�n en el espacio frentes de choque (discontinuidades) que viajan en el plasma a velocidades supers�nicas o que permanecen fijos en el espacio, estableciendo fronteras entre plasmas diferentes. Otras fronteras son establecidas por enormes hojas de corrientes el�ctricas y en ocasiones suelen producirse capas dobles, en las cuales se aceleran las part�culas hasta energ�as mucho mayores de las que se alcanzan en nuestros m�s modernos aceleradores.
As�, hemos descubierto que el espacio no s�lo no es homog�neo, sino que est� parcelado, esto es, estructurado en diversas regiones dentro de las cuales las condiciones del plasma son distintas; regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras electromagn�ticas que parcelan el espacio y establecen una coexistencia pac�fica entre plasmas de composici�n qu�mica, temperatura, densidad y magnetizaciones diferentes, y condiciones din�micas particulares que pueden ser contiguas, pero no se mezclan.
De todo esto hablaremos m�s adelante en detalle, pero deseamos mencionarlo en esta introducci�n para destacar el hecho de que el descubrimiento de la presencia universal del plasma y la comprensi�n cada vez mayor de sus caracter�sticas y de su comportamiento han cambiado profundamente nuestra concepci�n de los cuerpos y el espacio que constituyen nuestro Universo. Para los antiguos griegos y hasta el Renacimiento, la geometr�a fue la ciencia que se ocupaba de los cielos; el Universo era un conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos hab�an de ser descritos. Esta labor de mapeo a�n se contin�a, con el uso de telescopios m�s grandes y tecnolog�as cada vez m�s complejas. Pero desde Isaac Newton, hace unos trescientos a�os, el Universo empez� a verse tambi�n como un sistema f�sico regido por fuerzas gravitacionales que ya no s�lo determinaban las posiciones y los movimientos, sino que daban cuenta de una evoluci�n. Ahora surge un nuevo cambio. La imagen que nos han revelado las observaciones y registros espaciales de las �ltimas d�cadas, la del Universo lleno de plasma, en muchas partes mucho m�s sensible a las fuerzas electromagn�ticas que a las gravitacionales, impone otro punto de vista: la geometr�a ya hizo su trabajo, la gravitaci�n tambi�n ya hizo lo suyo, toca ahora a la f�sica del plasma completar la descripci�n de nuestro Universo.
