Respuestas (XXXVII): ¿En qué estado es más abundante la materia?

Hoy respondo a una pregunta de Miguel Albrecht, que ya mandó una consulta preguntando por qué algunas baterías se hinchan y explotan. Esta vez quiere saber cuál es el estado de la materia más abundante del universo. No problemo.

Un objeto sólido (peso de bronce) flotando sobre un líquido (mercurio) y rodeado de gas (aire). En realidad sólo es una excusa para colgar una foto del mercurio haciendo su magia. (Fuente)

La materia puede adoptar un montón de estados extraños cuando está sometida a condiciones muy inusuales, pero normalmente la encontramos en cuatro formas, según la temperatura y la presión a las que esté sometida: sólido, líquido, gas y plasma.

De esta frase os pueden haber sorprendido dos cosas.

¿Cómo que depende de la temperatura y la presión? ¿El hielo no se funde cuando lo calientas y fin de la historia?

A nivel del mar el agua hierve a unos 100ºC, pero en la cima del monte Everest lo hace a 71ºC. Esto se debe a que la presión es menor a esa altitud y las moléculas de agua lo tienen más fácil para escapar de su vecindario líquido y saltar al aire (como comenté con más detalle en esta entrada). En el caso contrario, el agua sometida a altas presiones puede calentarse muy por encima del punto de ebullición y seguir fluyendo como un líquido (como comenté también en esta otra sobre el interior de la Tierra).

Pero tal vez lo que os haya llamado más la atención sea…

¿CÓMO QUE EXISTE UN CUARTO ESTADO DE LA MATERIA?

Exacto, voz cursiva. Si te ha sorprendido ver que el plasma es un estado de la materia diferente a los demás, no te preocupes: el único indicio claro de su existencia con el que te encuentras en tu día a día es ese disco que brilla en el cielo y que te quema las retinas si lo miras directamente.

El sol, como el resto de estrellas, empezó siendo una bola de gas formada por el colapso gravitatorio de parte de una nebulosa y en la que, a causa de las condiciones extremas de calor y presión en su núcleo, se desató una reacción de fusión nuclear en su interior. La energía producida por estas reacciones de fusión nuclear es la que hace que, ahora mismo, el núcleo de nuestra estrella se encuentre a unos 15.000.000ºC y su superficie a unos 6.000ºC.

Guardemos este dato en la cabeza un momento mientras explico otra cosa.

Si aumentamos la temperatura de un objeto lo suficiente, lo primero que hará será fundirse. Si seguimos aumentando la temperatura, llegará un punto en el que el material se evaporará. Algunas cosas se convierten directamente en gas desde el estado sólido, pero lo importante es que, si calientas mucho una cosa, inevitablemente terminará convertida en un gas.

¿Y si no nos quedamos ahí? ¿Y si seguimos aumentando la temperatura aún más?

Gracias por encaminar la entrada, voz cursiva. Si seguimos aportando energía al sistema, los electrones de los átomos que componen el gas empezarán a separarse de los núcleos atómicos y a moverse libremente por el material… Y entonces se habrá convertido en un plasma, que no es más que eso, un montón de gas ionizado (o, lo que es lo mismo, cargado eléctricamente) que presenta propiedades distintas a las de un gas corriente y por eso se considera un estado de la materia diferente.

De hecho, ni siquiera hace falta que todos los átomos del gas hayan perdido electrones: basta con que el 1% de una masa de gas esté ionizada para que todo el conjunto se comporte como un plasma.

También podemos convertir un gas en un plasma arrancándole los electrones de otras maneras, como por ejemplo sometiéndolo a campos magnéticos muy potentes o excitándolo con un láser.

En una “bola de plasma” de las que podéis tener por casa, el plasma no se

genera con las altas temperaturas, sino mediante una corriente eléctrica.

Captado. Entonces, ¿cuál es el estado de la materia más abundante del universo?

Empecemos tomando nuestro propio solar como muestra para ver en qué estado está la mayor parte de la materia que contiene.

Las distancias entre planetas no están a escala (por suerte). Fuente: wikimedia commons.

Estado sólido:

Representado principalmente por los cuatro “grandes” planetas rocosos en el sistema solar (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte), algunos satélites como Ganímedes (que supera a Mercurio en tamaño) o Titán, que orbitan alrededor de Júpiter y Saturno,  y unos cuantos asteroides inmensos, como Ceres, de unos 900 kilómetros de diámetro.

Contamos también con la zona donde están acumulados los asteroides, bautizada con el ocurrente nombre de cinturón de asteroides, que se extiende entre las órbitas de Marte y Júpiter, aunque la masa combinada de todos los cuerpos rocosos que residen en esta ella equivale a sólo un 4% de la masa de la Luna. También existen algunos planetas rocosos enanos más allá de la órbita de Plutón pero, básicamente, eso es todo lo sólido que hay en el sistema solar.

Como dato adicional y pese a la creencia popular, la mayor parte del interior de los planetas rocosos se encuentra también en estado sólido (como comentaba en esta otra entrada). En el caso de la Tierra, por ejemplo, la única capa de material que se encuentra en fase líquida es el núcleo externo, que representa sólo un 13,6% del volumen total del planeta.

Estado gaseoso:

Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son los llamados “gigantes gaseosos” del sistema solar. Los astrónomos les dieron este título porque:

a) son enormes

b) están por compuestos por hidrógeno y helio, dos elementos que se presentan en forma de gas en condiciones normales.

Pero, como veremos a continuación, en realidad hay poco gas en un gigante gaseoso.

Estado líquido:

En el caso de los planetas gigantes de nuestro sistema solar, compuestos en su mayor parte por elementos que en condiciones normales se presentan en forma de gas, como el hidrógeno y el helio, las altísimas presiones que reinan en su interior mantienen estos elementos licuados, por lo que, pese a su nombre, la mayor parte de la masa de los gigantes gaseosos se encuentra en estado líquido.

Teniendo en cuenta este hecho y que sólo Júpiter ya tiene una masa de casi 318 veces superior a la de la Tierra, podemos afirmar tranquilamente que el estado líquido es más abundante que el sólido y el gas en nuestro sistema solar. Pero nos falta ver el…

Plasma:

En este caso, vayamos directos al sol.

Nuestra estrella está compuesta principalmente por helio e hidrógeno, que se evaporan a -268.6ºC y -252.9ºC, respectivamente. Por otro lado, la temperatura en el núcleo del sol ronda los 15.000.000ºC en su núcleo y los 6.000ºC en su superficie así que, como podéis imaginar, toda la masa de nuestras estrella se encuentra a temperaturas el helio y el hidrógeno están en estado de plasma.

Y aquí llega el dato importante: el sol tiene tanta masa como 332.946 Tierras o, lo que es lo mismo, 1.047 planetas como Júpiter. De hecho, es tan grande que representa el 99.8% de toda la masa del sistema solar. Y toda esa masa, como hemos visto antes, es plasma puro y duro… Así que no hace falta calcular nada más para darnos cuenta de que el estado de la materia que más abunda en nuestro sistema solar es el plasma.

Corrijo, “bola de plasma cabreada“. En la imagen puede observarse el tamaño

de una llamarada solar. (Fuente)

¡Por fin llegas a alguna conclusión! Entonces, ¿esta misma lógica se aplica a cualquier sistema solar?

Exacto, voz cursiva, porque los planetas siempre será muchísimo más pequeños que una estrella a la que orbitan, de modo que la masa que se encuentra en fase sólida, líquida o gaseosa de un sistema planetario siempre será minúscula en comparación con la gran cantidad de plasma que hay en su estrella.

Esto se debe, en parte, a que la masa de los planetas gaseosos planeta gaseoso siempre será inferior a la de una estrella, ya que si alcanzara el tamaño de una estrella, en su interior empezarían a tener lugar las reacciones de fusión nuclear que lo encenderían, convirtiéndolo en una bola de plasma incandescente o, lo que es lo mismo, una estrella.

Por otro lado, no se han encontrado planetas rocosos del tamaño de Júpiter, ni mucho menos del tamaño de una estrella, ya que este tipo de planetas no pueden crecer hasta el tamaño que les venga en gana. El planeta rocoso más grande que se ha encontrado hasta la fecha es Kepler-10c, con una masa 17 veces superior a la de la Tierra y un diámetro 2,3 veces mayor.

Se sospecha que los mundos sólidos no tienen mucho más margen para crecer más allá de este límite ya que, durante su formación en el interior de la densa nube de gas que rodea la estrella en el momento de su nacimiento, los objetos tan masivos atraerían tanto gas a su alrededor que sus atmósferas se harían cada vez más gruesas y terminarían convertidos en gigantes gaseosos (si os interesa el tema, en esta otra entrada hablo sobre los límites del tamaño de los planetas).

Vale, así que parece que en todos los sistemas solares predomina el plasma. ¿Y qué pasa con en el resto del universo? ¿Qué tipo de materia se puede encontrar flotando por el espacio interestelar?

Pues resulta que el 98% de la masa del universo corresponde a átomos de hidrógeno y helio y, por otro lado, las condiciones que reinan en el espacio no permiten que estos dos elementos se encuentren en forma sólida o líquida. Por tanto, la mayor parte de la materia del universo tan sólo puede existir en el espacio en forma de plasma o de gas.

¿Cuál de las dos formas es más abundante? Vamos a considerar algunos objetos astronómicos comunes para hacernos una idea.

Estrellas.

Como hemos visto, todas están hechas de plasma. Se estima que en el universo observable hay unas 1024 estrellas (mil trillones) que, de media, tienen una masa de 1030 kilogramos. Por tanto, la masa combinada de todas las estrellas debería sumar alrededor de 1054 kilos de plasma.

Nebulosas.

Gigantescas nubes de hidrógeno y helio (y algo de polvo) ionizadas que se extienden por inmensas regiones del espacio, a veces a lo largo de miles de años luz. Aunque su densidad no sea muy elevada, su tamaño hace que la masa de plasma que contienen sea tremenda. Por ejemplo, las mil nebulosas presentes en el cúmulo de Coma tienen una masa combinada equivalente a 10 mil millones de soles. Es complicado saber cuántas nebulosas contiene una galaxia porque, al no emitir luz, no suelen ser visibles, pero se estima que sólo en nuestra galaxia puede haber entre 2.000 y 25.000 nebulosas.

La nebulosa Cabeza de Caballo, llamada así por la protuberancia parecida a

Jar Jar Binks (Star Wars) que destaca sobre el resto del gas. (Fuente)

Enanas blancas.

El núcleo compacto que queda tras la muerte de una estrella corriente, como el sol. El 94% de las estrellas terminan su vida en esta fase, expulsando sus capas externas y dejando atrás un pequeño núcleo que brilla con un tono blanquecino y está hecho de plasmas formados por elementos más pesados, como el oxígeno y el carbono.

Dicho est…

¡Espera! ¿Y qué hay de los objetos más densos del universo? ¿Qué pasa con los agujeros negros? ¿Cuánta materia se encuentra encerrada en ellos?

Bueno, vamos a echarle un vistazo a eso también.

Agujeros negros.

Alrededor de una de cada 10.000 estrellas tiene la masa suficiente para terminar su vida de esta manera, formando agujeros negros con una masa que es, como muchísimo, unas cuantas decenas de veces la de nuestro sol. Por otro lado, en el centro de cada galaxia existen agujeros negros súpermasivos que contienen la masa de miles, millones o, incluso, miles de millones de estrellas como el sol.

Comparación del tamaño del agujero negro más grande conocido, mucho mayor que todo nuestro sistema solar.

¿En qué estado se encuentra la materia dentro de un agujero negro? No se sabe, pero podemos considerarlos como curiosidad.

Hemos visto que la masa combinada de las estrellas debería rondar los 1054 kilos. Por otro lado, asumiendo que existen unas 2.000 nebulosas por cada galaxia (tirando por lo bajo) y que cada una contenga unos diez mil millones o 1010 masas solares de plasma, podemos extrapolar que los 100 mil millones de galaxias observables deberían contener unos 1051 kilogramos de plasma en forma de nebulosas… Una cantidad mil veces menor que la aportada por las estrellas.
Llegados a este punto, la forma más abundante de la materia ordinaria en el universo es el plasma. Vamos a ver cuánta masa está encerrada en los agujeros negros, aunque sea por simple curiosidad.
Sabemos que una de cada 10.000 estrellas tiene suficiente masa como para convertirse en un agujero negro de masa estelar, por lo que hay unos 1019  de este tipo en el universo observable. Asumiendo 30 masas solares por agujero negro, obtendremos que el total total de la masa de agujeros negros rondará los 1051 kilogramos.
Por otro lado, cada galaxia tiene en su centro un agujero negro súpermasivo (exceptuando algún caso excepcional), por lo que los 100 mil millones de galaxias observables contendrán agujeros negros que, en términos de masa y suponiéndolos todos del orden de miles de millones de masas solares, representarían un total de 1044 kilogramos… Que es un número un millón de veces menor que la masa de los agujeros negros estelares

 

Por tanto, podemos comprobar que sólo con los 1054 kilogramos de plasma que aportan las estrellas, los 1051 de lo que sea que compone los agujeros negros quedan muy lejos de igualarlas (por 3 órdenes de magnitud o, lo que es lo mismo, un factor de 1.000). Claramente, el plasma es el estado de la materia dominante en el universo.

Nota: no he tenido en cuenta la materia oscura por que ni siquiera la hemos detectado, pero los agujeros negros los tenemos más o menos controlados.

Hablé sobre la materia oscura en esta entrada.

 

10 pensamientos en “Respuestas (XXXVII): ¿En qué estado es más abundante la materia?”

  1. No sabría ni cómo empezar a escribir ‘a thousand trillions’ en número si me lo dicen en inglés (por aquello de que ‘one billion’ son mil de nuestros millones, y no un millón de estos como para nosotros), pero lo que tengo clarísimo es que 10²⁴ es 1 cuatrillón (un millón de trillones, es decir, un millón de millones de millones de millones)
    Dicho esto, felicidades por el blog. Lo acabo de descubrir y me encanta, no sólo por su rigor sino por ese humor sútil con el que acerca la ciencia a todo el mundo.
    Saludos 😉

    1. Juan Carlos, el cálculo total de agujeros negros es la suma de ambas cifras, 10^44(supermasivos)+10^51(estelares), que da, si no me equivoco, 10,000001^51, y que sigue siendo mil veces menor que la masa estelar que ha calculado Jordi, de 10^54

  2. Muy bueno, he aprendido. pero falta algo y es que según yo el origen de la materia comenzó con la creación del calor y este en energía luego materia.
    TT. freddy capellan g.

  3. En cuanto a los Axiones como posibles candidatos a Materia oscura, como se mantendrían entorno al la periferia de galaxias y cúmulos si son superligeras y no interaccionan entre sí. Gracias.

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