Hoy os traigo un vídeo en el que explico qué son el paramagnetismo y el diamagnetismo, las propiedades que hacen que un material se vea atraído o repelido por los imanes, respectivamente.
¡Espero que os guste!
Si os gusta la astronomía, seguro que habréis oído hablar de las estrellas de neutrones, unos objetos con una masa un 40% superior a la del sol que sólo miden entre 10 y 15 kilómetros de diámetro. Como resultado, su densidad es tan alta que si llenáramos una botella de 1 litro con el material de su corteza y la trajéramos a la Tierra, esa botella pesaría tanto como 71 millones de ballenas azules. En cambio, una botella llena de osmio, el elemento más denso de la tabla periódica, «sólo» pesaría 22,3 kilos.
Me gustaría completar tu comparación absurda añadiendo que el peso de la ballena azul media es de 140.000 kg. Pero, bueno, volviendo al tema que nos ocupa… ¡¿CÓMO DIANTRES PUEDE SER QUE LAS ESTRELLAS DE NEUTRONES SEAN TAN INCREÍBLEMENTE DENSAS?!
Lo expliqué con más detalle en esta otra entrada, voz cursiva, pero lo primero que hay que tener en cuenta es que las estrellas de neutrones son los «cadáveres» que dejan atrás las estrellas que tienen una masa entre 10 y 29 veces superior a la del sol cuando mueren.
Cuando una de estas estrellas gigantes agota su combustible y las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en su interior se detienen, su núcleo ya no puede mantener a raya el peso de toda la materia que descansa sobre él y, de repente, la estrella se comprime tanto bajo su propia gravedad que incluso sus capas externas alcanzan las condiciones de presión y temperatura necesarias para que el material que contienen pueda fusionarse. Cuando esto ocurre, la estrella entera revienta en forma de súpernova, como una bomba termonuclear de millones de kilómetros de diámetro… Y en el centro de la explosión queda una bola diminuta que contiene todo el material del núcleo de la estrella, aunque extremadamente comprimido.
Esa bola compacta es a lo que los astrónomos se refieren como una estrella de neutrones.
Recreación artística de una estrella de neutrones. (Fuente)
El material que compone estos cuerpos no se parece en nada a la materia ordinaria que nos rodea, porque la contracción final del núcleo de las estrellas gigantes es tan violenta los electrones terminan aplastados contra sus núcleos atómicos y se ven forzados a unirse con los protones, produciendo neutrones. Como resultado, los objetos compactos que dejan atrás las estrellas gigantes son, básicamente, bolas de neutrones de una decena de kilómetros de diámetro (y algún que otro protón). De ahí el nombre de estrellas de neutrones, claro.
Y ahí está el secreto de la densidad de estos objetos.
Los protones y los neutrones son tan masivos (2.000 veces más que los electrones) que los núcleos de los átomos tienen una densidad que ronda los 23 billones de kilos por litro. Por suerte, como comenté en esta entrada prehistórica, el 99,9999999999999% del volumen de un átomo está vacío debido a la gran distancia que separa el núcleo de las capas de electrones que lo rodean, así que, aunque los átomos tengan un núcleo muy masivo, su densidad media es relativamente baja y la materia que nos rodea es bastante ligera.
Pero, claro, las estrellas de neutrones no contienen átomos ordinarios porque están hechas de neutrones muy pegados entre ellos, así que la densidad extrema de estas estrellas viene del hecho de que están compuestas únicamente por las partículas más masivas de los átomos, sin espacios vacíos entre ellas que reduzcan la densidad global del material.
Pero, además una densidad tremenda que ronda los cientos de billones de kilos por litro, el material que compone las estrellas de neutrones tiene otra particularidad muy curiosa: es extremadamente duro y resistente, 10.000 millones de veces más fuerte que el acero.
Esto se debe a que un material se rompe cuando el esfuerzo al que está sometido supera la fuerza que mantiene sus átomos unidos y éstos se empiezan a separar en algún punto de su estructura. Por tanto, la resistencia mecánica de un material depende en gran medida de lo fuertes que sean los enlaces que mantienen la cohesión de sus átomos de manera que, cuanto mayor sea la fuerza con la que están enlazados, más resistente será.
Representación chapucera de lo que le pasa a un material cuando se rompe, a nivel atómico.
O sea, que el material que compone las estrellas de neutrones es extremadamente resistente porque la fuerza que mantiene unidos sus neutrones es muchísimo mayor que la que enlaza los átomos que forman la materia ordinaria.
¡Ostras! ¿Y a qué estamos esperando? ¿Por qué no montamos una expedición a una estrella de neutrones y traemos este material a la Tierra para fabricar pantallas de móviles que no se romperán nunca más?
Pues primero porque la estrella de neutrones más cercana está a unos 400 años luz de la Tierra… Pero, más importante aún, porque posiblemente moriríamos todos.
Me explico (con una analogía).
Un muelle metálico muy grande podría parecer un objeto rígido cuando está comprimido, pero, por supuesto, en cuanto la fuerza que lo comprime se retire, el muelle saltará y recuperará violentamente su forma en un instante. O sea, que un muelle sólo puede existir en su estado comprimido mientras está bajo presión, así que no podemos cogerlo y llevarlo de un lado a otro sin más porque recuperará su forma en cuanto lo apartemos de la fuerza que lo mantiene compactado.
Pues resulta que al material que compone las estrellas de neutrones le ocurre algo parecido porque esta sustancia extremadamente fuerte y densa sólo puede existir bajo condiciones de gravedad extrema. E igual que un muelle tiene una resistencia interna que lo devolverá bruscamente a su forma original en cuanto la fuerza que lo comprime desaparezca, los neutrones también experimentan una intensa repulsión debida al principio de exclusión de Pauli (que mencioné en esta entrada) que sólo puede ser contenida por la inmensa gravedad de una estrella de neutrones.
Por tanto, igual que un muelle que recupera su forma cuando se descomprime, en el momento en que alejáramos un fragmento de estrella de neutrones de su superficie, las partículas dejarían de estar confinadas por su campo gravitatorio y el material se expandiría de manera instantánea a velocidades de entre el 10% y el 20% de la velocidad de la luz. Para haceros una idea del efecto devastador que tendría esta expansión repentina, el astrofísico Rob Jeffries calculó en esta respuesta que sólo 5 mililitros de estrella de neutrones liberarían tanta a energía al expandirse como mil millones de bombas atómicas, lo que equivale a 3.500 veces la energía que produjo el impacto del meteorito que extinguió (o contribuyó a la extinción de) los dinosaurios.
¡¿Pero qué dices?! ¡¿Cómo iba una cosa tan pequeña a producir una explosión tan fuerte?!
Lo sé, lo sé, parece increíble, pero recuerda que las estrellas de neutrones tienen una densidad tremenda: esos 5 mililitros contendrían una masa de varios cientos de miles de millones de kilos que se estarían expandiendo a una fracción respetable de la velocidad de la luz.
He intentado representar cuál sería el efecto de una explosión de esta magnitud usando esta aplicación que muestra sobre un mapa el radio de destrucción que provocaría una bomba atómica de una potencia determinada, pero el programa tiene un límite de «sólo» 100 megatones, el doble de la bomba termonuclear más potente jamás detonada. Introduciendo esta cifra límite, la aplicación revela que los efectos de la explosión se sentirían en un radio de 64 kilómetros, representado en esta imagen:
Nada en contra de Murcia, la imagen está hecha con fines puramente comparativos.
En cambio, la energía liberada por 5 mililitros de estrella de neutrones ascendería hasta los 358.000.000.000 megatones, más de tres mil millones de veces superior a ese límite… Así que, bueno… Aunque el programa no lo pueda calcular, me atrevería a afirmar que no sería muy buena idea traer este material a la Tierra.
Por tanto, si no quieres que se rompa la pantalla de tu móvil y quieres evitar la esterilización de la superficie terrestre, te recomiendo que te compres una funda, voz cursiva.
De todas maneras, sería imposible traer un fragmento de la corteza de una estrella de neutrones a la Tierra porque habría que mantenerlo contenido bajo presiones extremas durante el camino para que no reventara. Como no existe ninguna tecnología capaz de someter la materia a presiones tan intensas, quienes se acabarían tragando la explosión equivalente a la de miles de millones de bombas atómicas serían los pobres diablos a los que se les hubiera ocurrido la genial idea de ir a buscar un fragmento de la estrella de neutrones.
El 17 de octubre di una charla sobre la Luna, organizada por la Agrupación Astronómica de Ibiza con motivo de las actividades que se organizarán el año que viene para celebrar la llegada del ser humano a la Luna (hemos llegado, le pese a quién le pese, como explicaba en esta entrada). He subido la charla al canal de Youtube para quién esté interesado en el tema.
¡Espero que os guste!
En la década de 1990 se detectaron los primeros planetas que orbitan alrededor de otras estrellas y, desde entonces, se han encontrado mundos muy distintos a los de nuestro propio sistema solar: gigantes gaseosos tan pegados a sus estrellas que sus atmósferas están incandescentes, planetas rocosos con océanos de lava o que orbitan alrededor de dos soles e incluso un planeta antiquísimo que se formó sólo 1.000 millones de años después del Big Bang.
Pero, de entre toda esta variedad, un caso que me llama especialmente la atención es el de los supuestos planetas ctónicos, unos cuerpos extremadamente densos que podrían ser los núcleos desnudos de planetas gigantes gaseosos que habrían perdido todo su gas… Así que hoy quería hablar de estos objetos hipotéticos.
No sé, dicho así no me parece tan curioso. Te cierro la ventana, que tengo unos vídeos de gatos en cola y me…
Espera, espera, voz cursiva. Déjame explicarte por qué me parece interesante este asunto.
Si os gusta la astronomía, os sonarán los conceptos de planeta rocoso y gigante gaseoso. Como su nombre indica, los gigantes gaseosos son cuerpos inmensos que están compuestos principalmente por gas (o, al menos, por elementos que estamos acostumbrados a ver en forma de gas en nuestro día a día). Los rocosos, por su parte, están hechos de… Bueno, de roca. Y también tienen un poco de metal en su núcleo.
En nuestro sistema solar, los planetas interiores (Mercurio, Venus, la Tierra y Marte) son rocosos, mientras que los exteriores (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) pertenecen a la categoría de los gigantes gaseosos.
Las distancias no están a escala (por suerte). (Fuente)
Los gigantes gaseosos son lugares especialmente hostiles para los seres vivos que nos hemos malacostumbrado a vivir en un mundo sólido porque, más allá de su inmenso tamaño, estas enormes bolas de gas tienen la particularidad de que no poseen una superficie.
Espera, espera. ¿Me quieres decir que podría precipitarme grácilmente entre las nubes de un gigante gaseoso y sentir cómo la brisa acaricia mi cara durante la caída de centenares de miles de kilómetros que me llevaría hasta el centro del planeta?
Más bien no, voz cursiva. En primer lugar, porque no tienes cara, pero, incluso aunque tuvieras cuerpo, morirías mucho antes de llegar al núcleo del planeta si te dejaras caer en su atmósfera.
Esto se debe a que, en general, los gigantes gaseosos son muchísimo más masivos que los planetas rocosos. Por ejemplo, Júpiter tiene una masa 318 veces mayor que la de la Tierra, pero los gigantes gaseosos más grandes pueden llegar a alcanzar una masa hasta 75 u 80 veces superior a la de Júpiter (aunque a esas alturas ya rozan la frontera de las estrellas enanas marrones, como explicaba aquí).
Como resultado, por muy poética que sea la idea de un mundo que es casi todo cielo, la realidad es que el interior de los gigantes gaseosos está tan comprimido por el peso de su propia masa que el gas que contienen está licuado y a muy alta temperatura. O sea, que, como expliqué en esta otra entrada, casi todo el volumen de un gigante gaseoso se encuentra en estado líquido, no en forma de gas (exceptuando la capa más externa de su atmósfera).
De hecho, la presión en las profundidades más oscuras de los gigantes gaseosos es tan alta que en ellas se forma hidrógeno metálico. Eso sí, pese a lo que sugiere su nombre, no se trata de un estado en el que este elemento se convierta literalmente en un metal, porque sigue siendo líquido, sino que simplemente se convierte en un fluido que conduce muy bien la electricidad.
Total, que caer a través de la atmósfera de un gigante gaseoso no sería una experiencia demasiado agradable: durante la caída, la temperatura y la presión irían aumentando a nuestro alrededor y quedaríamos aplastados y/o vaporizados muchísimo antes de alcanzar el núcleo del planeta. Para que te hagas una idea de lo corto que sería nuestro viaje, la sonda Galileo se zambulló en la atmósfera de Júpiter al final de su misión y se perdió el contacto con ella a una profundidad de sólo 146 kilómetros, donde la temperatura rondaba los 150ºC y la presión era de 22 atmósferas. En comparación, Júpiter tiene un radio de 70.000 kilómetros.
Vale, vale… Borraré a Júpiter de mi lista de viajes. Pero, ¿en serio no existe ninguna superficie sólida bajo la densa atmósfera de un planeta gaseoso? ¿No tiene un núcleo macizo o algo así?
Efectivamente y no, voz cursiva. Para variar, la cuestión tiene matices.
Como decía en esta otra entrada, según las teorías de formación planetaria actuales, los gigantes gaseosos deberían contener un núcleo rocoso porque todos los planetas empiezan su vida de la misma manera: a partir de la unión de los granos de polvo de la nebulosa presolar, que van formando fragmentos de roca cada vez más grandes hasta que acumulan bastante masa para ser considerados planetas rocosos.
Si el planeta rocoso en cuestión se encuentra cerca de su estrella, su crecimiento se detendrá en este punto y ahí se acabará la historia. Pero, como explicaba en este artículo, el gas se condensa con más facilidad en las regiones exteriores y frías de un sistema solar, así que los planetas rocosos que se encuentran más lejos de su estrella podrán seguir creciendo mientras atraen ese gas y lo empiezan a acumular sobre su superficie. Si el planeta es lo bastante masivo y tiene suficiente gas a disponible a su alrededor, formará una atmósfera cada vez más gruesa y espesa y terminará por convertirse en una inmensa bola de gas comprimido con un núcleo de roca… O, lo que es lo mismo, en un gigante gaseoso.
Vale, pues entonces los gigantes gaseosos sí que tienen una superficie: el núcleo rocoso sobre el que descansa su gigantesca «atmósfera».
No exactamente. Aunque no he encontrado ninguna fuente que hable de esto con detalle, sospecho que es improbable que exista una frontera bien definida entre la capa de hidrógeno líquido y el núcleo rocoso de un gigante gaseoso, dadas las condiciones extremas de presión y temperatura que se dan alrededor del núcleo. En su lugar, seguramente se trate de un cambio gradual en el que en ningún momento exista una «superficie» como tal.
Pero, bueno, el asunto es que la presión ejercida por el propio peso de un gigante gaseoso sobre su centro es tan intensa (entre 30 y 40 millones de atmósferas, en el caso de Júpiter) que incluso su núcleo rocoso se termina comprimiendo.
¿Pero cómo vas a comprimir un objeto sólido? ¡No puedes hacer que una cosa sólida ocupe menos espacio!
Vaya si se puede, voz cursiva, pero se necesita una presión tremenda.
Como comenté en mi último vídeo, la densidad de una sustancia depende de la cantidad de átomos que quepan en un volumen determinado y de la masa de cada átomo. Por tanto, cuanto más pequeños y masivos sean los átomos de un elemento, más denso será.
Bajo condiciones de presión tan extremas, las órbitas de los electrones se comprimen y el diámetro de los átomos disminuye. Como resultado, la masa de los átomos termina comprimida en un espacio más pequeño y, por tanto, su densidad aumenta (es un fenómeno parecido al que ocurre en el interior de las estrellas enanas blancas, que comentaba en esta entrada).
Imagen reciclada de la entrada que mencionaba.
Para hacernos una idea del efecto que tiene la presión sobre la densidad del núcleo de los planetas, usemos como ejemplo el hierro y el níquel, que tienen una densidad de 8 y 9 kilogramos por litro en condiciones normales. Eso significa que, si cogemos dos botellas de agua y llenamos una de hierro y otra de níquel, esas botellas pesarán 8 y 9 kilos, respectivamente.
El núcleo de la Tierra también está compuesto por una mezcla de hierro y níquel, pero su densidad ronda los 12 kilos por litro, una densidad más parecida a la del plomo que a la del propio hierro o el níquel en condiciones normales. Pero, ¿cómo puede ser que estos dos metales sean más densos en el núcleo del planeta, que sobre su superficie? Pues porque, en el núcleo, los átomos de estos elementos ocupan menos espacio porque están comprimidos por la presión.
En el núcleo de los gigantes gaseosos, el efecto es aún más exagerado. En el caso de Júpiter, la presión a la que está sometido su interior es tan alta que el material sólido de su núcleo tiene una densidad estimada de unos 25 kilogramos por litro. Para que os hagáis una idea de la magnitud de la que estamos hablando, el elemento más denso de la tabla periódica, el osmio, tiene 22 kilogramos por litro en condiciones normales.
Así que quedaos con este detalle: los gigantes gaseosos tienen núcleos sólidos extremadamente densos. Voy a responder de una vez la pregunta del título.
Resulta que en 2012 se anunció el descubrimiento de tres exoplanetas que tienen unas características bastante peculiares: su diámetro es más o menos el doble del de la Tierra, pero tienen masas entre 30 y 100 veces mayores. O sea, que la densidad global de estos tres planetas ronda entre los 20 y los 70 kilogramos por litro, mucho mayor que si todo su volumen estuviera compuesto por hierro.
Esto es bastante desconcertante porque el tamaño de estos planetas sugiere que son mundos rocosos, pero no existe ningún mecanismo que pueda proporcionar una densidad tan alta a este tipo de planetas. De hecho, aunque el núcleo metálico de un planeta rocoso pueda ser muy denso, está rodeado de un manto de roca mucho más ligero que reduce la densidad global del objeto a entre los 3 y los 6 kilos por litro. La Tierra, por ejemplo, tiene una densidad media de 5,51 kilos por litro.
Por tanto, como en principio no existe un mecanismo que explique esta densidad tan alta, se ha propuesto que estos planetas extremadamente densos podrían ser los núcleos «desnudos» de unos antiguos planetas gaseosos o, lo que es lo mismo, lo que quedaría después de que un gigante gaseoso pierda todo su gas.
No sé, no me convence la idea, ¿cómo se le puede quitar la atmósfera a un gigante gaseoso?
Pues de la misma manera que se la quita a un planeta rocoso normal y corriente: con viento solar y radiación ultravioleta.
Por un lado, las estrellas emiten una corriente de partículas cargadas al espacio en todas las direcciones y de manera constante llamada viento solar. El sol no es una excepción y nuestro planeta está siendo azotado por este viento constantemente, pero, por suerte, la Tierra tiene un campo magnético que desvía estas partículas y el único efecto que tiene el viento solar sobre nuestras vidas es la formación de auroras boreales.
Pero otros planetas rocosos no tienen la suerte de tener un campo magnético, así que su interacción con el viento solar no es tan romántica. Sin un campo magnético, el viento solar interacciona directamente con la atmósfera de un planeta y la arrastra poco a poco al espacio. De hecho, la atmósfera de Marte casi ha desaparecido desde que se formó y Venus también está perdiendo la suya, precisamente porque ninguno de los dos tiene un campo magnético.
A este proceso de pérdida atmosférica también contribuye la radiación ultravioleta de las estrellas, que calienta e ioniza las moléculas de gas de la atmósfera, aumentando las probabilidades de que escapen al espacio.
Total, que se cree que eso es precisamente lo que les habría ocurrido a los planetas ctónicos: serían los restos de unos gigantes gaseosos que orbitaban demasiado cerca de su estrellas y cuyas atmósferas habrían sido arrancadas por el intenso viento solar y la radiación ultravioleta, dejando sus núcleos rocosos y compactos al descubierto.
Ahora bien, ¿cómo sería la superficie de un planeta que había estado enterrado en las profundidades de una atmósfera de decenas de decenas de miles de kilómetros de espesor, en contacto con hidrógeno líquido a alta temperatura? Por desgracia, no he encontrado ninguna referencia al respecto. De lo único que no hay duda es que la gravedad sobre un planeta tan compacto sería mucho más intensa que en la Tierra (entre 7 y 25 veces mayor, en el caso de los tres planetas que había comentado).
En cualquier caso, la existencia de los planetas ctónicos es perfectamente factible e incluso se han descubierto gigantes gaseosos que están perdiendo poco a poco su atmósfera. Aun así, aunque la hipótesis está bien fundamentada, también sería posible que la naturaleza de los planetas densos que se han encontrado hasta ahora sea distinta o que se tratara un error en las mediciones. Ya sé que no es una conclusión muy emocionante para terminar el artículo que se ha ido tanto por las ramas, pero así funciona la ciencia.
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