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. 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. Este principio se aprovecha en las centrales térmicas para llevar agua a unos cuantos cientos de grados de temperatura de un lado a otro a través de tuberías.

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

¿CÓMO QUE EXISTE UN CUARTO ESTADO DE LA MATERIA?

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 atracción gravitatoria en cuyo centro se desató una reacción de fusión nuclear debido a las condiciones extremas de calor y presión en su interior. Ahora mismo, el núcleo de nuestra estrella se encuentra a unos 15.000.000ºC y su superficie a unos 6.000ºC.  Guardemos este dato en la cabeza un momento y expliquemos otra cosa.

Aunque antes quería enseñaros este GIF que me ha hecho mucha gracia.

A medida que calentamos algo, cuando se alcance la temperatura necesaria, lo primero que hará es fundirse. Si seguimos aumentando la temperatura terminará evaporándose, ya estemos hablando de agua, mercurio o hierro. Algunas cosas se convierten directamente en gas desde el estado sólido, pero lo importante es que, si sigues aumentando la temperatura de una cosa, al final inevitablemente terminas convirtiéndola en un gas.

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. Es entonces cuando se forma el 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. Aunque sólo el 1% de una masa de gas esté ionizada, todo el conjunto se comportará como plasma.

También podemos obtener plasma aportando energía a un gas de otras maneras, ya sea sometiéndolo a campos magnéticos muy potentes o excitándolo con un láser, por lo que no necesariamente tenemos que someterlo a temperaturas extremas: la única condición es que el elemento que queremos convertir en plasma esté en estado gaseoso. Dependiendo del elemento que estemos tratando, la temperatura para que esto ocurra será mayor o menor.

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

genera con las altas temperaturas, se induce mediante una corriente eléctrica.

Volviendo al sol, nuestra estrella está compuesta principalmente por helio e hidrógeno, que se evaporan a -268.6ºC y -252.9ºC, respectivamente. Esto significa que, por debajo de esas temperaturas (tengamos presente que la temperatura mínima posible es de -273.15ºC) se encontrarían en fase sólida o líquida, así que a los 6.000ºC de superficie solar están muy por encima del punto en el que se convierten en gases y, por tanto, en estado de plasma. En el núcleo, a 15 millones de grados, ya ni hablemos.

Bueno, entonces, algo que tiene que estar tan caliente para existir será bastante poco abundante en el universo, ¿no?

No creo que nadie estuviera siguiendo esa línea de razonamiento, voz cursiva.

Vamos a echar un vistazo a nuestro propio solar para ver en qué estado están la mayoría de las cosas:

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 una zona de acumulación de 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 zona 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.

Estado gaseoso:

Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno son los llamados “gigantes gaseosos” y reciben este nombre porque  a) son enormes y b) están por compuestos por los (normalmente) gases hidrógeno y helio. Como veremos a continuación, se puede considerar que, en nuestro sistema solar, los gases sólo están presentes en las atmósferas de los planetas o son liberados por los cometas a medida que se acercan al sol

Estado líquido:

La Tierra es el cuerpo rocoso más grande del sistema solar… O al menos eso parece desde fuera. En realidad ni siquiera es sólida en todo su volumen, ya que todo el material situado entre la corteza y el núcleo está tan caliente que se encuentra en fase líquida. El núcleo férrico de nuestro planeta, en cambio, se mantiene sólido a pesar de estar sometido a temperaturas de 6.000ºC, porque la presión es tan alta que impide que el hierro no se funda (como decíamos antes, el estado de las cosas no depende sólo de la temperatura). Teniendo en cuenta que el núcleo, la corteza y el manto son las únicas partes sólidas de nuestro planeta y con los siguientes grosores de cada que lo compone:

He calculado (no es más que sumar y restar esferas) que alrededor del 97% del volumen de la Tierra se encuentra en fase líquida, sin contar los océanos.

Por otro lado, en el interior de los planetas gigantes, 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 del interior de estos planetas licuan estos gases, por lo que la mayor parte de la masa de los gigantes gaseosos se encuentra en estado líquido.

Teniendo en cuenta este hecho y que Júpiter tiene una masa de casi 318 veces 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:

Vamos directos al sol.

El sol tiene tanta masa como 332.946 Tierras o, lo que es lo mismo, 1.047 planetas como Júpiter. 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. No hace falta calcular nada más para darnos cuenta de que la mayoría de la materia en nuestro sistema solar se encuentra en forma de 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, ¿Puede aplicarse esto a otros sistemas solares?

Sí, ya que los planetas siempre serán más pequeños que la estrella alrededor de la cual orbitan por dos motivos:

En primer lugar, un planeta gaseoso siempre tendrá una masa inferior a la de una estrella, ya que si alcanzara el tamaño de una estrella, en su interior empezarían a tener lugar reacciones de fusión nuclear que lo encenderían, convirtiéndolo, efectivamente, en otra estrella (o sea, una bola incandescente de plasma).

En segundo lugar, los planetas rocosos, como son más densos, no pueden crecer hasta el tamaño que les venga en gana. Es decir, no hemos encontrado planetas rocosos del tamaño de Júpiter, ni mucho menos. De hecho, Gliese 436 c, el más grande conocido de este tipo, tiene 5 veces la masa de la Tierra.

Se sospecha que los mundos sólidos no pueden superar por mucho ese tamaño ya que, durante su formación en el interior de la densa nube de gas que rodea la estrella en el momento de su nacimiento, atraen tanto gas de su alrededor que el viento solar no es capaz de arrancárselo, así que lo van acumulando, haciendo sus atmósferas cada vez más gruesas hasta que terminan convirtiéndose en gigantes gaseosos.

Vale, en todos los sistemas solares predomina el plasma. ¿Y en el resto del universo?

Dejando de lado los planetas, a nivel interestelar encontramos la materia en estado gaseoso, plasma o algunas formas exóticas. Por su masa y abundancia, consideraré los siguientes objetos astronómicos:

Estrellas: todas compuestas por plasma. Se estima que, en el universo observable, la cifra de estrellas ronda las 1024 o 1.000.000.000.000.000.000.000.000 (o mil trillones).

Nebulosas: gigantescas nubes de polvo, hidrógeno, helio y gases ionizados (o sea, plasma) que se extienden por inmensas regiones del espacio, a veces a lo largo de miles de años luz. Pese a tratarse de pequeñas partículas diseminadas por el vacío interestelar, estas nubes son tan grandes que su masa es inmensa. Las mil nebulosas presentes en el cúmulo de Coma, por ejemplo, tienen una masa combinada equivalente a 10 mil millones de soles. Es complicado saber cuántas nebulosas hay en una galaxia porque suelen ser oscuras y no se ven a menos que alguna estrella refleje su luz sobre ellas. Se estima que 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. (Fuente)

Enanas blancas: el núcleo compacto que queda tras la muerte de una estrella corriente. El 94% de las estrellas terminan su vida en esta fase, expulsando sus capas externas (compuestas por plasma) y dejando atrás un pequeño punto brillante blanquecino en el centro, hecho de plasma de elementos más pesados, como el oxígeno y el carbono.

Agujeros negros: alrededor de una de cada 10.000 estrellas tiene la masa suficiente para terminar su vida en forma de agujero negro. La masa de estos agujeros negros estelares es, como mucho, 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, inlcuso, miles de millones de estrellas como el sol. Pero, ¿de qué está compuesto un agujero negro? Nadie tiene ni idea, pero están ahí y son muy pesados.

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

Tomando estos datos, vamos a comparar qué representa un mayor porcentaje de la materia del universo: el plasma o lo que sea que forma los agujeros negros.

Existen mil trillones de estrellas (incluyendo las enanas blancas), todas compuestas enteramente por plasma. De media, tienen una masa de 1030 kilogramos (un 1 seguido de 30 ceros), así que todas ellas sumarán alrededor de 1054 kilos de plasma. Para ayudar a poner en perspectiva una cifra así, cada vez que añades un cero al final de un número lo estás multiplicando por diez.

En cuanto a las nebulosas, tomamos el valor más bajo que habíamos comentado para nuestra galaxia. Estimemos, por ejemplo, que existen 2.000 nebulosas por cada galaxia. Dependiendo del tamaño de éstas, su masa puede variar, pero vamos a tomar como referencia la masa de las mil nebulosas del cúmulo de Coma: diez mil millones o 1010 masas solares. Extrapolando este valor para los 100 mil millones de galaxias observables, obtenemos unos 1051 kilogramos de plasma, una cantidad mil veces más pequeña que la aportada por las estrellas.

En cuanto a los agujeros negros, 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.

Como cada galaxia tiene en su centro un agujero negro súpermasivo (menos uno o dos casos excepcionales conocidos), 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, 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.

 

7 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

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