Todas las entradas de: Jordi Pereyra

¿Cuáles son las estrellas más densas del universo?

Esta semana quería colgar el vídeo sobre la Tierra de la “serie” del sistema solar, pero no he podido terminarlo porque he andado liado preparando la charla que daré este viernes (17 de noviembre) a las 19:30 en el Domus de A Coruña junto con Deborah, de Dimetilsulfuro. Si andáis por allí y os apetece venir, hablaremos de “Lo extraordinario de lo ordinario” (el evento está abierto al público y es gratuito).

Dicho esto, hoy os traigo un artículo sobre estrellas extremadamente densas que tenía ganas de escribir desde hace tiempo.

Ya vimos en esta otra entrada que, cuando las estrellas que tienen una masa similar a la del sol empiezan a agotar su combustible, se hinchan, expulsan sus capas externas al espacio y dejan atrás las remanentes compactas de su núcleo en forma de una estrella enana blanca.

La masa de las enanas blancas ronda entre 0,17 y 1,33 veces la del sol pero, curiosamente, estos objetos tienen un tamaño similar al de un planeta rocoso pese a que su masa sea comparable a la de una estrella. Como resultado, la materia que compone las enanas blancas está increíblemente compactada, llegando a alcanzar densidades de miles de millones de kilos por metro cúbico (10kg/m3). En comparación, el agua tiene una densidad de unos 1.000 kg/m3 y el elemento más denso de la tabla periódica, el osmio, “sólo” llega a los 22.600 kg/m3 en condiciones normales.

¡¿Qué dices?! ¿Y por qué existe una diferencia tan grande entre la densidad de la materia “normal” y la de una enana blanca?

Pues porque, en las condiciones a las que está sometida la materia en nuestro día a día, la mayor parte del volumen de los átomos está vacía.

Me explico.

Los electrones son unas 2.000 veces más ligeros que los protones o los neutrones, así que casi toda la masa de un átomo está concentrada en su núcleo. Pero, pese a lo que puedan sugerir las ilustraciones de átomos a las que estamos acostumbrados, el diámetro de los núcleos atómicos es en realidad unas 100.000 veces menor que el de los átomos a los que pertenecen, delimitado por la órbita de los electrones más externos.

¿Y qué hay en ese todo ese espacio que queda entre los electrones y el núcleo?

No hay nada, voz cursiva. De hecho, el 99,9999999% del volumen de un átomo está vacío, así que los átomos tendrían más o menos este aspecto “a escala real”:

Como podéis imaginar, esta ilustración no sería muy útil en un libro de texto.

Por tanto, como casi toda la masa de los átomos está concentrada en el núcleo y la mayor parte del volumen de un átomo está vacío, su densidad global es muy baja y, de la misma manera, también lo es la de la materia a la que dan lugar.

Pero las condiciones que se dan en el interior de una enana blanca son de todo, menos normales.

Debido a su tremenda masa y su reducido tamaño, el campo gravitatorio de una enana blanca es tan intenso que el peso de una persona sobre su superficie sería cientos de miles de veces superior al que experimenta en la Tierra. En estas condiciones, la materia que compone las enanas blancas está sometida a una fuerza compresiva tan intensa que incluso los electrones se ven obligados a abandonar sus órbitas y concentrarse lo más cerca posible de los núcleos atómicos.

Llegados a este punto, la única fuerza que se opone a la gravedad y que impide que la materia de una enana blanca se siga comprimiendo es el principio de exclusión de Pauli que, básicamente, dictamina que dos partículas no pueden ocupar el mismo estado cuántico. O sea, que en esta situación los electrones están tan pegados unos a otros que las leyes fundamentales de la mecánica cuántica les impiden acercarse aún más y, como resultado, los “átomos” de una enana blanca contienen mucho menos espacio vacío que en condiciones normales porque los electrones están mucho más cerca de sus núcleos.

Por tanto, la materia de una enana blanca es tan densa porque contiene muchos más núcleos atómicos por unidad de volumen que en condiciones normales.

Pero las enanas blancas ni siquiera son los objetos más densos que se  conocen.

Cuando una estrella mucho más masiva que el sol revienta en forma de supernova, la explosión resultante es capaz de compactar todo el material de su núcleo en una esfera de pocas decenas de kilómetros de diámetro. Este tipo de objetos, llamados estrellas de neutrones, pueden contener una masa hasta casi 2 veces mayor que la del sol comprimida en una esfera de una decena de kilómetros de diámetro y, en consecuencia, su densidad alcanza cientos de miles de billones de kilos por metro cúbico (3,7×1017 a 5,9×1017 kg/m3).

Las estrellas de neutrones alcanzan estas densidades tremendas porque su campo gravitatorio es aún más fuerte que el de las enanas blancas, de modo que la fuerza compresiva a la que está sometido su interior es tan intensa que sus electrones se ven obligados a unirse con sus núcleos, combinándose con los protones para producir más neutrones. Pero, cuidado, porque, pese a lo que su nombre sugiera, no todas las partículas que hay en una estrella de neutrones son… Bueno, neutrones.

En realidad, la corteza de estos objetos está compuesta mayoritariamente por núcleos de hierro (que contienen tanto neutrones como protones) y electrones que se mueven entre ellos libremente, pero la concentración neutrones va aumentando con la profundidad hasta que se convierten en las partículas mayoritarias cerca del centro de la estrella.

(Fuente)

En cualquier caso, el interior de una estrella de neutrones está compuesto por núcleos atómicos muy pegados entre ellos. Sin apenas espacio vacío que separe esos núcleos, el material que contienen estas estrellas alcanza esas densidades tan surrealistas. De hecho, salvando mucho (muchísimo) las distancias, se podría comparar (pero con cuidado) una estrella de neutrones con un núcleo atómico gigante.

Ahora bien, al menos hipotéticamente, la materia se puede comprimir aún más.

En esta otra entrada comentaba que los protones y los neutrones no son partículas fundamentales porque están compuestos por unas partículas aún más pequeñas llamadas quarks: tanto protones como neutrones contienen 3 quarks cada uno, mantenidos en su sitio por la llamada fuerza nuclear fuerte (a la que dedico un capítulo entero, junto con la fuerza nuclear débilen mi segundo libro).

Crédito: GeneralFM/Istock/Thinkstock

Y resulta que, en teoría, si la fuerza gravitatoria de un objeto es lo bastante intensa como para sobreponerse a la repulsión que se produce entre los neutrones sin convertirlo en un agujero negro, incluso estas partículas se pueden descomponer y convertirse en una “sopa” de quarks sin ningún tipo de estructura.

El material contenido en un objeto hecho con este material, una estrella de quarks, sería aún más denso que el de una estrella de neutrones y, como resultado, el diámetro de estos cuerpos celestes hipotéticos sería mucho menor. Para hacernos una idea de la diferencia, aquí tenemos una escala en la que se comparan estos objetos con un asteroide relativamente grande:

(Fuente)

Y, para hacernos otra idea de lo comprimido que estaría el material dentro de estas estrellas, sería algo así:

Pero, por emocionante que suene la idea, nadie ha encontrado una estrella de quarks… De momento.

Se ha sugerido que las estrellas de neutrones con una masa más de 2 veces superior a la del sol podrían estar parcialmente hechas de esta “sopa” de quarks, así que el descubrimiento de una estrella con estas características sería un buen indicativo de la existencia de este tipo de materia. Por otro lado, también se ha calculado que un objeto compacto con una masa unas 2,75 veces superior a la del sol generaría una fuerza gravitatoria lo bastante intensa como para convertirse en una verdadera estrella de quarks.

¿Tan poca masa? Entonces el universo debe estar lleno de estas estrellas de quarks, ¿no?

Pues no tiene pinta, voz cursiva, porque la estrella de neutrones más masiva que se ha descubierto hasta ahora no alcanza las dos masas solares así que, al menos de momento, no hay ningún candidato sólido en la categoría de las estrellas de quarks.

Aun así, también algunas supernovas especialmente intensas que se han observado podrían indicar que estas explosiones están produciendo estrellas de quarks, en vez de estrellas de neutrones. Un caso es el de la supernova SN 2006gy, que estalló con un brillo 100 veces más de lo que cabría esperar… Pero, igual que en los casos anteriores, no hay una evidencia sólida de que ese sea el caso.

O sea que, de momento, las estrellas más densas que se conocen son las estrellas de neutrones. ¿Se confirmará la existencia de las estrellas de quarks y me veré obligado a actualizar esta entrada? Sólo el tiempo lo dirá.

 

Y ahora, para variar…

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

Patrañas (XVII): Aclarando algunas cosas sobre el concepto de “energía”

Uno de los términos más confusos que rondan tanto por internet como por las librerías es la palabra “energía“. Este concepto se utiliza en una gran variedad de situaciones, desde los textos científicos académicos hasta los círculos más esotéricos, así que es normal que mucha gente tenga una idea muy difusa de lo que es la energía y muchas veces no sea consciente de que hay contextos en los que el término no significa nada en absoluto.

Por tanto, hoy voy a intentar aclarar qué es la energía para que nos sea más fácil distinguir cuándo una persona nos está intentando vender (literal o metafóricamente) una idea que se está sacando de la manga.

La energía es “la propiedad que se debe transmitir de un objeto a otro para que pueda realizar un trabajo“. A su vez, el trabajo es una magnitud física que representa “la capacidad para mover cosas de un lugar a otro“. Por tanto, cualquier fenómeno que pueda provocar un movimiento estará transmitiendo alguna forma de energía a su entorno.

Por ejemplo, cuando el agua cae a través de los conductos de una presa, hace girar unas turbinas que generan electricidad. Como su movimiento se puede transmitir a otros objetos, el agua produce energía. Esta capacidad que tienen las cosas que están en movimiento para mover otros cuerpos se llama energía cinética.

Esquema adaptado de aquí.

Sí, bueno… ¿Y qué tipo de energía hace que los fogones de la cocina o el microondas calienten la comida? Porque el metal de las ollas está quieto todo el rato y la comida del microondas no se pasea por encima del plato, así que nada está realizando un “trabajo” sobre ellas.

Buen apunte, voz cursiva. Es verdad que, a primera vista, hay muchos fenómenos que parecen no producir trabajo y, por tanto, da la impresión de que no pueden estar generando energía. Pero si miramos la realidad con más detenimiento, incluso lo que está quieto está lleno de movimiento.

Como hemos visto en otras entradas, la temperatura de un objeto refleja la velocidad a la que se mueven las partículas que lo componen: cuanto más rápido se muevan los átomos de una sustancia, más caliente estará. Sabiendo esto, es fácil ver por qué el calor que producen un fogón o un microondas también es una forma de energía.
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El sistema solar (II): Venus

Como al final parece que el nuevo formato de vídeos os gustó, hoy os traigo la segunda entrega de la serie sobre el sistema solar en la que hablo sobre Venus. Por otro lado, estos días no he podido dedicar tiempo al blog porque he estado liado con unos talleres de ciencia, pero espero que el ritmo de actualizaciones vuelva a la normalidad la semana que viene (con un artículo, no os preocupéis).

¡Espero que os guste el vídeo!

El sistema solar (I): Mercurio

He pensado en cambiar el formato de mis vídeos de manera provisional porque, si os gusta, me gustaría hacer una “serie” de este estilo sobre el sistema solar. Este es el primer vídeo de la entrega, en el que explico qué sabemos hoy en día sobre Mercurio, el planeta más cercano al sol.

¡Espero que os guste!

DATO CURIOSO: La motivación inicial para cambiar de formato es que pensaba que me daría menos trabajo… Pero no, al contrario (aunque me ha gustado más hacer el vídeo).

Respuestas (LXXXV): ¿Existe una “temperatura más alta posible”?

Isma Garou me preguntaba hace unos días si, igual que existe una temperatura mínima posible, hay una temperatura más alta que nada pueda superar. Y resulta que el tema es bastante interesante, así que toca hoy toca hablar del calor.

Vale, pero espera un momento. Por una vez, ¿podrías responder “sí o no” y dar una cifra, sin irte por las ramas?

Podría, voz cursiva, podría… Pero entonces no aprenderíamos nada sobre el efecto que tienen las temperaturas extremas sobre la materia que nos rodea.

Pfff…

Como había comentado en esta otra entrada, la temperatura no es más que un reflejo de la velocidad a la que se mueven los átomos de una sustancia: cuanto más rápido vayan, más caliente nos parecerá que está. Este es el motivo por el que la temperatura más baja que puede alcanzar un objeto son -273,15ºC, el llamado cero absoluto, que tendría lugar cuando sus átomos están completamente quietos.

Y, como ya he comentado otras veces, la materia sufre diferentes cambios a medida que su temperatura aumenta.

Una sustancia permanecerá en estado sólido mientras sus átomos se muevan lo suficientemente despacio como para que sus enlaces los puedan mantener unidos. Pero, si la temperatura empieza a aumentar, llega un punto en el que los átomos vibran con tanta violencia que ya no son capaces de mantenerse enlazados. Es entonces cuando la estructura rígida que forman los átomos se desmoronará y la sustancia pasa de ser un sólido a un líquido.

Como dato adicional, la sustancia que tiene el punto de fusión más alto conocido es una “aleación” de hafnio, tántalo y carbono que no se funde hasta que alcanza 4.126ºC.

Polvo de carburo de tántalo (sin el carburo de hafnio). (Fuente)

Pero, como habréis imaginado, existen temperaturas más altas.
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El mejor método (razonable) para enfriar una bebida rápidamente

Hoy os traigo un nuevo vídeo en el que pongo a prueba algunas sugerencias que me hicisteis la última vez que comprobé la efectividad de tres métodos distintos para enfriar una bebida (hielo, agua con hielo o agua salada con hielo). Y, no, por desgracia no he usado nitrógeno líquido.

¡De todos modos, espero que la cuestión quede zanjada! (y, si no, me lo podéis decir en los comentarios)

Respuestas (LXXXIV): ¿Realmente es posible que el universo sea un holograma?

Hace poco me di cuenta de que el buzón de entrada de mi correo electrónico (jordipereyra@cienciadesofa.com) ha acumulado muchas preguntas sobre la hipótesis del universo holográfico, un concepto que seguramente os habréis encontrado alguna vez en forma de noticias con titulares sensacionalistas que afirman que algún grupo de científicos ha demostrado que vivimos en un holograma.

A juzgar por los correos que me han llegado, parece que mucha gente ha interpretado que la comunidad científica se está preguntando seriamente si nuestro universo podría ser realmente un holograma en el sentido literal de la palabra: un modelo en tres dimensiones proyectado a partir de una superficie bidimensional (ya sea plana o curvada). Algo así, vaya:

Dramatización. (Fuente)

Pero, ¿hay algo de cierto en esta idea? ¿De verdad alguien ha demostrado que vivimos en un “universo holográfico”? ¿O el concepto de que la realidad es un holograma es una exageración más, alimentada por las ansias que tienen los medios digitales de ganar clicks fáciles?

Conociendo el historial de este blog, me huelo que la respuesta es que…

Shhhh, no adelantemos acontecimientos, voz cursiva. Para entender de qué va todo esto del universo holográfico, primero tendremos que hablar sobre información y agujeros negros.
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El “nivel del mar”: un concepto más complejo de lo que parece

NOTA: si habéis estado siguiendo a Ciencia de Sofá en Instagram (@cienciadesofa) o en Facebook durante estos días, sabréis que he estado de viaje en Islandia. Vi muchas cosas interesantes y terminé grabando bastantes vídeos, así que es probable que durante las próximas semanas cuelgue más de un vídeoblog del viaje en el canal de Youtube… Por si os queréis suscribir a él y tal (guiño, guiño).

Acabada la campaña chapucera de redes sociales, pongámonos manos a la obra con la entrada de hoy.

Imaginemos que estamos en la playa un día especialmente tranquilo. Más allá de las pequeñas olas que puedan romper la armonía de la superficie lisa del mar, en esos momentos nos da la impresión de que el agua del océano está perfectamente nivelada con el horizonte como si fuera un vaso de… Bueno, de agua. Pero esta aparente planitud de los océanos no es más que una ilusión porque, como todos sabemos, la Tierra es redonda y, a gran escala, la superficie de las grandes extensiones de agua está tan curvada como la de nuestro planeta.

Aun así, entre lo difícil que resulta apreciar la curvatura del horizonte y lo poco concreta que es la expresión “nivel del mar“, da la impresión de que, aunque esté curvada, la superficie del océano debería estar nivelada a lo largo y ancho del planeta. Dicho de otra manera: lo lógico sería que todos los puntos de la superficie del mar estén a la misma distancia del centro de la Tierra.

Pero resulta que no es así: la superficie del océano está llena de protuberancias y depresiones, igual que en tierra firme hay montañas y valles. Y no me refiero a las olas o las mareas, sino a masas inmensas de agua que se alzan por encima de otras a escala planetaria y que permanecen estables durante millones de años. Lo que quiero decir es esto, vaya:

Sí, claro, montañas de agua… Me parece que vas a necesitar algo más que un dibujo cutre para convencerme.
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¿A qué temperatura están los meteoritos cuando tocan el suelo?

Todos hemos visto alguna vez la típica escena en la que los protagonistas de una película o serie se acercan a investigar un objeto que ha caído del cielo y, al llegar al lugar del impacto, encuentran un meteorito clavado en el suelo y echando humo… O vapor… O cualquier otro efecto visual que nos da a entender que su superficie a está muy, muy caliente.

Pero, por muy extendida que esté la idea de que los meteoritos llegan a la superficie de la Tierra casi incandescentes, ese no suele ser el caso, así que…

Así que vas a hablar de meteoritos otra vez, ¿verdad?

Sí, voz cursivaotra vez.

En primer lugar, aclaremos la terminología: un trozo de roca y metal que flota por el espacio, un meteoroide, se convierte en un meteoro si se adentra en nuestra atmósfera y se desintegra antes de tocar el suelo… Que viene a ser lo que comúnmente llamamos una estrella fugaz, vaya. Sólo los meteoroides que sobreviven a su paso por la atmósfera y llegan hasta el suelo tienen el honor de llamarse meteoritos.

Os dejo también una animación que ilustra muy bien la diferencia.

Hay que tener en cuenta es que los meteoroides se mueven a hasta 72 kilómetros por segundo cuando entran en contacto con la atmósfera terrestre. A estas velocidades, el gas que tienen frente a ellos se comprime una barbaridad y, por tanto, su temperatura aumenta muchísimo. De hecho, el intenso calor producido durante esta fase hace que la superficie de los meteoroides se funda.

Ah, vale, ¿y me quieres decir que una bola de metal y roca no va a llegar al suelo calentita después de pasar por este proceso?

Pues no necesariamente, voz cursiva.
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