Las Manchas Solares

Hola nuevamente gente aficionada a la ciencia ¿Qué tal les ha ido estos días? Espero que estén ansiosos de aprender sobre nuevos temas en este su blog preferido. En esta ocasión hablaré sobre un tema que quizás no muchos sepan al respecto pero que intentaré explicar de una manera didáctica y sencilla el tema de las Manchas Solares.

Antes de comenzar a hablar sobre las Manchas Solares habría que preguntarnos ¿Cómo es que funciona nuestra estrella más cercana, es decir nuestro Sol?

La estrella más cercana a nosotros, es decir el Sol, es nuestra principal e irreemplazable fuente de energía. Esto ocurre gracias a la fusión nuclear dentro de sí mismo, cuando los átomos se golpean entre sí a altas velocidades y, literalmente, se fusionan. Para que esto suceda las condiciones deben ser las correctas.

Esto se debe a que los protones siempre tienen una carga positiva cada uno, por lo que se repelen al acercarse unos a otros, como los imanes entre sí. Es por ello que es necesario que se acerquen mucho, y para eso tienen que estar muy calientes, lo que significa que las partículas se mueven muy rápido y pueden acercarse lo suficiente como para fusionarse. El núcleo del Sol es el lugar perfecto para esa fusión nuclear, ya que es el lugar más caliente del Sistema Solar, llegando a los 15 millones de ºC. También es increíblemente denso, tanto así que tiene 10 veces la densidad del plomo y, con ello, cualquiera pensaría que con esa alta densidad sería sólido, pero no lo es porque está tan caliente que se mantiene como Plasma (estado de la materia entre gaseoso y líquido). Un ejemplo de ello sería Si se calienta un gas a altas temperaturas, entonces los electrones se “caen” de los átomos y flotan como en una nube. Esta nube tiene un comportamiento diferente al de un gas y de esta manera es que se puede crear el Plasma. Para ejemplificar lo antes mencionado podríamos decir que el Sol es como una mesa de billar cósmica, a una escala inimaginable, es decir un lugar donde hay millones de partículas colisionando e interactuando entre ellas. En el billar, sin embargo, no importa cuán fuerte golpees una bola, nunca se podría pegarle lo suficientemente fuerte como para fusionarla con otra bola, pero hay tanta presión y, tan alta densidad en el núcleo del Sol, que dos objetos que impacten se van a  fusionar. 

En el Sol los objetos que colisionan son átomos de Hidrógeno (en un principio) reunidos por una inmensa presión (Fusión) para formar átomos de Helio. A cada segundo, dentro del Sol 600 millones de toneladas de Hidrógeno son fusionados y se transforman en 595 millones de toneladas de Helio, una cantidad tan grande que no podemos ni imaginarla. Esas 5 millones de toneladas de masa perdida se convierten en energía equivalente a un millón de bombas de hidrógeno de un megatón cada una, expulsadas hacia el espacio, es decir todo ese calor que recibimos de nuestro Sol es gracias a ello y esto se da cada segundo, en otras palabras con solo un segundo el Sol podría darle suficiente energía a toda la humanidad por cientos de miles de años.

Habiendo aclarado cómo funciona el Sol entonces hay que preguntarnos ¿Qué son y cuál es la causa de las Eyecciones de Masa Coronal? Y ¿Cuál es su relación con las manchas solares?

La Eyección de Masa Coronal (CME) es una onda hecha de radiación y viento solar que se desprende del Sol en el periodo llamado Actividad Máxima Solar. Esta onda se forma por una gran actividad en nuestro Sol, o en cualquier estrella, ya que ellas, al igual que nuestro planeta, tiene “estaciones” y es cíclico este proceso. Todo esto se debe a que el Sol contiene tanta energía acumulada que se “desprende” de forma violenta en forma de llamaradas gigantescas (nuestro planeta entero podría caber en una de ellas fácilmente) que eyectan una cantidad sorprendente de masa y energía al espacio y es muy peligrosa, ya que podría dañar los circuitos eléctricos, los transformadores y los sistemas de comunicación dependiendo de su magnitud. Cuando esto ocurre, se dice que hay una tormenta solar y se da cada 11 años y el Sol entra en un turbulento ciclo (Actividad Máxima Solar) que representa la época más propicia para que el planeta sufra una tormenta solar. Dicho proceso acaba con el cambio de polaridad solar (no confundir con el cambio de polaridad terrestre). Como ejemplo nos podemos remontar al 13 de marzo de 1989, en la ciudad de Quebec, Canadá, la cual fue azotada por una fuerte tormenta solar y como resultado de ello seis millones de personas se vieron afectadas por un gran apagón que duró 90 segundos. La red eléctrica de Montreal estuvo paralizada durante más de nueve horas. Los daños que provocó el apagón, junto con las pérdidas originadas por la falta de energía, alcanzaron los cientos de millones de dólares.

Ahora bien, veamos qué relación tiene lo antes mencionado con el título de este artículo. Para comenzar hay que señalar que las Manchas Solares son una región del Sol que tiene una temperatura más baja que sus alrededores y con una intensa actividad magnética debido a una fuerte Actividad Máxima Solar. Una mancha solar típica consiste en una región central oscura, llamada "umbra", rodeada por una "penumbra" más clara. Una sola mancha puede llegar a medir hasta 12.000 km (casi tan grande como el diámetro de la Tierra), pero un grupo de manchas puede alcanzar 120.000 km de extensión e incluso algunas veces más.

Las manchas solares aparecen, crecen, cambian de dimensiones y de aspecto y luego desaparecen tras haber existido tras una o dos rotaciones solares, es decir durante uno o dos meses, aunque su vida media es aproximadamente dos semanas. Al principio se observa una formación brillante, luego la granulación de la fotosfera que empieza a oscurecerse. Al día siguiente ya hay una pequeña mancha, mientras en el poro gemelo a unos pocos grados de distancia aparece otra. Ya a los pocos días ambas manchas tienen el aspecto muy característico: una región central oscura llamada sombra con temperaturas alrededor de 2.500 K (1 grado Kelvin = -273 grados Celsius el cero absoluto) y brillo un 20% de la fotosfera. Todas las manchas tienen movimientos propios con velocidades de hasta centenares de kilómetros por hora y el grupo de manchas alcanza su máxima complejidad hacia el décimo día.

Las dos manchas principales de cada grupo se comportan como si fuesen los polos de un enorme y potente imán, ya que entre ambos existe un campo magnético con una intensidad entre 0,2 y 0,4 T mientras que el campo magnético terrestre tiene una intensidad de sólo 0,05 mT. La mancha que está al oeste solar se llama conductora y la que está al este solar conducida. En casi todos los grupos el eje entre las dos manchas no se dispone en la dirección este-oeste, sino más bien la mancha conductora está en ambos hemisferios más cercana a su Ecuador.

En las manchas hay un campo magnético con una intensidad de 0,3 T, con lo cual esta muy relacionado con la Eyección de Masa Coronal y con el Máximo Solar.  Aunque los detalles de la creación de las manchas solares todavía son cuestión de investigación, está bastante claro que las manchas solares son el aspecto visible del tubo de flujo magnético que se forma debajo de la fotosfera. Si la tensión en el flujo del tubo alcanza cierto límite, el tubo magnético se riza como lo haría un cabello al estirarlo mucho. La transmisión del flujo de energía desde el interior del sol se inhibe, y con él la temperatura de la superficie. A continuación aparecen en la superficie dos manchas con polaridad magnética opuesta en los puntos en las que el tubo de fuerza corta a la fotosfera.

Las recientes observaciones del satélite (SOHO) usando las ondas sonoras que viajan a través de la fotosfera del Sol permiten formar una imagen detallada de la estructura interior de las manchas solar, debajo cada mancha solar se forma un vórtice giratorio, esto hace que se concentren las líneas del campo magnético. Las manchas solares se comportan en algunos aspectos de modo similar a los huracanes terrestres.

Espero les haya gustado este tema acerca de las Manchas Solares. En la siguiente edición de este blog les hablaré, sobre los Cometas y sus inmensos recorridos a través del Universo. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.

Partículas Subatómicas y Partículas Elementales

Hola nuevamente aficionados a la ciencia ¿Cómo han estado? Espero que con muchas ganas de ponernos al tanto y aprender sobre nuevos temas en este blog. Ahora desarrollaré un tema algo más complejo y quizás no sea algo común que lo sepa todo el mundo. Me refiero al tema de las Partículas Subatómicas y Elementales.

Antes de comenzar habría que preguntarnos exactamente ¿Qué son las Partículas Subatómicas?

En un principio se le llamaba Partícula Subatómica a aquella partícula más pequeña que un átomo, es decir son sus componentes principales, los cuales son el Protón (en el núcleo del átomo y carga positiva), el Neutrón (en el núcleo también y carga neutra) y el Electrón (en la corteza con carga negativa).

Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de Protones y Neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas, es decir que existían elementos inclusive más pequeños que ellos, que las conformaban. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas nos dice que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los Protones y Neutrones por su parte están constituidos por Quarks (que son partículas Elementales y más adelante las explicaré a profundidad), como por ejemplo un Protón, el cual está formado por dos Quarks arriba (up) y un Quark abajo (down). Estos Quarks se unen mediante partículas llamadas Gluones, el cual significa “pegar” y mantiene unidos a los Quarks por medio de la fuerza Nuclear Fuerte.

Existen seis tipos diferentes de Quarks (Arriba o Up, Abajo o Down, Fondo o Bottom, Cima o Top, Extraño o Extrange y Encanto o Charm). Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por Gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de las fuerzas electromagnética (los Fotones) y Nuclear Débil (los Neutrinos y los Bosones W y Z). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Ahora bien, teniendo en cuenta que ya se tiene claro lo que son las partículas Subatómicas, habría que preguntarse ¿Qué son las Partículas Elementales?

Como ya se mencionó líneas arriba, las Partículas Elementales son aquellos componentes que forman Partículas Subatómicas tales como el Protón y el Neutrón, es decir son los constituyentes elementales de la materia, y más precisamente son partículas que no están constituidas por partículas más pequeñas ni se conoce que tengan estructura interna, hasta el momento.

Originalmente el término Partícula Elemental se usó para toda partícula subatómica como los Protones y Neutrones, los Electrones y otros tipos de partículas llamadas “exóticas” que solo pueden encontrarse en los rayos cósmicos o en los grandes aceleradores de partículas (como el que se encuentra en Europa), como los Piones o los Muones. Sin embargo, a partir de los años 70’s quedó claro que tanto los Protones como los Neutrones son Partículas Compuestas de otras partículas más simples, es decir que cuentan con elementos internos que la conforman y actualmente el nombre Partícula Elemental se usa para aquellas partículas que, hasta donde se conoce, no están formadas por partículas más simples, que en cuyo caso se descubriera algún componente más, habría que llamarlas diferente en un futuro.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la Tierra, generalmente porque son inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el Gravitón (actúa con la fuerza de Gravedad); sin embargo esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

Ya sabiendo esto podemos preguntarnos ¿Cuáles son estas Partículas Elementales?

En la actualidad se cree que los Fermiones, formados por los Leptones y los Quarks y los Bosones Gauge, son todos los constituyentes más pequeños de la materia y por tanto serían partículas propiamente elementales.

Por un lado tenemos a los Fermiones, llamados así por su descubridor Enrico Fermi, los cuales, como ya lo dijimos, están separados en dos grupos, los Leptones y los Quarks. Los Leptones son una partícula con espín -1/2 en el caso de los neutrinos y +/- 1/2 en los demás leptones (un fermión) que no experimenta interacción fuerte. Estos están compuestos en 3 elementos que son el Electrón, el Muón y el Tau representado a su vez por su contraparte de carga neutra (Neutrino) el cual forma otros 3 elementos llamados Electrón Neutrino, Muón Neutrino y Tau Neutrino. 

Por otro lado tenemos a los Quarks que son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales (Gravedad, Electromagnetismo, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil) y se separan en seis categorías: Arriba o Up, Abajo o Down, Fondo o Bottom, Cima o Top, Extraño o Extrange y Encanto o Charm. Son partículas parecidas a los Gluones en peso y tamaño, y esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones y forman, junto a los Leptones, la materia visible de todo el Universo.

Y por último tenemos a los llamados Bosones Gauge que son uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza (el otro tipo son los Fermiones). La denominación para llamarlos “Bosón” fue dada en honor al físico indio Satyendra Nath Bose. Para ser considerado un Bosón tiene que cumplir con 3 características generales:

1. Tener un espín entero (0, 1, 2, etc).
2. No cumplen el principio de exclusión de Pauli y siguen la estadística de Bose-Einstein. Esto hace que presenten un fenómeno llamado condensación de Bose-Einstein (el desarrollo de máseres y láseres fue posible puesto que los fotones de la luz son bosones).
3. La función de onda cuántica que describe sistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de partículas.

Algunos bosones, aunque se comportan como bosones, de hecho están compuestos de otras partículas, como por ejemplo, los núcleos de átomos de helio, que bajo ciertas condiciones, se comportan como bosones aún cuando están compuestos por cuatro Fermiones que, a su vez, no son Elementales cuando son examinados en experimentos de muy alta energía. En resumen podemos decir que la interacción de estas Partículas Elementales entre si permite que se formen las Partículas Subatómicas (Protón, Neutrón y Electrón) y estas, a su vez, conformen toda la materia visible que conocemos y que seguiremos conociendo a través de sus elementos más pequeños.

Espero les haya gustado este tema acerca de las Partículas Subatómicas y Elementales. En la siguiente edición de este blog les hablaré, sobre las Manchas Solares y en qué nos afectan. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.

Fuerzas Fundamentales del Universo (Segunda Parte)

Hola nuevamente, ahora seguiré desarrollando el tema sobre las Fuerzas Fundamentales del Universo, el cual deje sin explicar qué eran las Fuerzas Nuclear Fuerte, Nuclear Débil y la Gravitatoria, así que sin más, continuemos.

¿Qué es la Fuerza Nuclear Fuerte y Cómo interactúa con nosotros?

La Fuerza Nuclear Fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es aquella que permite unirse a los quarks (partículas sub-atómicas) para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color. A pesar de su fuerte intensidad, su efecto sólo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón. La teoría que describe a esta interacción es la cromodinámica cuántica (QCD) y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la Fuerza Nuclear Fuerte que explica que dentro del núcleo atómico a los protones y neutrones. Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza más fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada interacción fuerte residual. Esta interacción entre nucleones (protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

¿Qué es la Fuerza Nuclear Débil y Cómo interactúa con nosotros?

La Fuerza Nuclear Débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable de que los quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta.6 La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electrodébil.

Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es menor que la intensidad de la electromagnética y su alcance es menor que el de la interacción fuerte. Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria es esta una interacción únicamente atractiva.

¿Qué es la Fuerza Gravitatoria y Cómo interactúa con nosotros?

La Gravitatoria es la fuerza de atracción que alguna materia ejerce sobre otra y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido pero de alcance infinito.

Es la más conocida de las interacciones y al mismo tiempo la que plantea mayores problemas teóricos, ya que el Modelo Estándar no da cuenta de ellas, es muy débil y afecta a todas las partículas, e incluso a las que no cuentan con masa, como el fotón, debido a que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás. Junto al Electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contrariamente al Electromagnetismo sólo tiene carácter atractivo. A distancias atómicas, y en comparación con el resto de interacciones, es la más débil de todas.

La interacción gravitatoria, hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí, como lo vemos en nuestro día a día, el porqué hace girar los planetas alrededor del Sol, etc. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter atractivo. La teoría de la relatividad general estudia el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica describiéndola como una Curvatura del espacio-tiempo. En otras palabras, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas. La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no-relativista a la interacción gravitatoria, es decir que la Gravedad en vez de “jalarnos” hacia abajo lo que hace en verdad es curvar el espacio-tiempo y, de esta manera, lo que haría es empujarnos hacia abajo, es decir como si quisiera achatarnos en vez de jalarnos.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón (partícula hipotética). Cabe indicar que la teoría de la gravitación, en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas, sin embargo, debido a que la gravitación es sólo perceptible en distancias muy por encima del radio atómico esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar conflicto en la mayoría de situaciones prácticas.

Y con estas nuevas teorías podemos saber también que se pueden observar y estudiar una nueva serie de sucesos antes no explicables o no observados como:

Desviación Gravitatoria de luz hacia el rojo en presencia de campos con intensa gravedad: la frecuencia de la luz decrece al pasar por una región de elevada gravedad. Confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959).

Dilatación gravitatoria del tiempo: los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés). También, aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general.

Precesión geodésica: debido a la curvatura del espacio-tiempo, la orientación de un giroscopio en rotación cambiará con el tiempo. Esto está siendo puesto a prueba por el satélite Gravity Probe B.

Espero les haya gustado esta segunda parte acerca de las Fuerzas Fundamentales del Universo. En la siguiente edición de este blog les hablaré, esta vez sí, sobre las Partículas Sub-Atómicas y el Bosón de Higgs. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.

Fuerzas Fundamentales del Universo (Primera Parte)

Hola nuevamente aficionados a la ciencia ¿Cómo han estado? Ojala que con muchas energías para ponernos al tanto sobre nuevos temas en este blog. Ahora desarrollaré un tema que para algunos puede sonar muy simple y quizás para muchos otros nunca hayan escuchado de ellos, sobre las Fuerzas Fundamentales del Universo.

Antes de comenzar una explicación más detallada habría que preguntarnos, ¿Qué son las Fuerzas Fundamentales del Universo y Cuántas son?

Fuerzas fundamentales del Universo son aquellas que no se pueden explicar en función de otras más básicas, es decir que estas fuerzas o interacciones fundamentales interactúan entre ellas y las conocidas hasta ahora son cuatro: Gravitatoria, Electromagnética, Nuclear Fuerte y Nuclear Débil.

Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas que se diferencian unas de otras porque cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria. Todas las partículas de intercambio son los llamados bosones (Fuerzas Elementales), mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones (Partículas Elementales). En la actualidad, los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales, aparentemente diferentes, son manifestaciones, en circunstancias distintas, de un modo único de interacción. El término "teoría del campo unificado" engloba a las nuevas teorías en las que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales aparecen como si fueran básicamente idénticas, es decir unidas.

La teoría de la gran unificación intenta unir en un único marco teórico las interacciones entre la Nuclear Fuerte y la Nuclear Débil, y la Fuerza Electromagnética y esta teoría de campo unificado se halla todavía en proceso de ser comprobada. La Teoría del Todo es otra teoría de campo unificado que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro Fuerzas Fundamentales, la cual hoy en día es la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Esta teoría física considera los componentes fundamentales de la materia no como puntos matemáticos, sino como entidades unidimensionales llamadas "cuerdas", incorporando la teoría matemática de supersimetría, que sugiere que todos los tipos de partícula conocidos deben tener una "compañera supersimétrica" todavía no descubierta. Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo, para cada electrón), sino un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. La partícula hipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, por ejemplo, y la correspondiente al fotón sería el fotino.

Ahora bien, ya aclarado el tema habría que explicar la primera de las fuerzas, preguntándonos ¿Qué es la Fuerza Electromagnética y Cómo interactúa con nosotros?

El Electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Un ejemplo de ello lo podemos ver si pusiéramos un alambre de cobre entre los dos polos de un imán, en el cual veríamos como ambas fuerzas, ahora unificadas, el Magnetismo y la Electricidad, interactúan hasta forman una sola fuerza, o incluso en nuestro propio planeta que genera un campo magnetico gracias a este fenómeno, el cual nos protege de cualquier radiación cósmica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.

El Electromagnetismo también tiene un alcance infinito y como es mucho más fuerte que la gravedad describe casi todos los fenómenos de nuestra experiencia cotidiana, los cuales van desde el rayo láser y la radio, a la estructura atómica y a fenómenos tales como la fricción (creada por la estática del televisor cuando lo apagamos) y el arco iris.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos han sido observados desde la antigüedad, pero fue recién a partir de 1800 cuando los científicos descubrieron que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos fundamentales de la misma interacción. En 1864, las ecuaciones de Maxwell habían unificado rigurosamente ambos fenómenos. Luego en 1905, la teoría de Einstein de la Relatividad Especial resolvió la cuestión de la constancia de la velocidad de la luz (300 mil km/s). También Einstein explicó el efecto fotoeléctrico al teorizar que la luz se transmitía también en forma de fotones, es decir se dieron cuenta que la luz era tanto una onda como una partícula. A partir de 1927, Paul Dirac unifica la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó en la década de 1940. Con todo esto vemos que La Fuerza Electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

Por último hay que aclara que el Electromagnetismo está en todos lados e interactuamos con esta en todo momento al no atravesar las cosas. Un ejemplo de ello para que quede bien claro, es que esta Fuerza hace que los átomos se mantengan unidos y también las partículas sub-atómicas que los componen. Imaginen que los átomos son como un gran ventilador y las aspas son los electrones dando vueltas a su alrededor, pero si ese ventilador estuviera apagado cualquier cosa podría atravesarlo, ya que el espacio entre sus aspas es grande. Esto no sucede en la realidad porque el electromagnetismo hace que estas “aspas” estén siempre unidas y no puedan separarse ni que se pueda atravesarlas, como si el ventilador funcionara y sus aspas se mueven tan rápido que se convertiría en un objeto sólido a pesar del vacío que existe entre ellas. A esto se le llama Ley de Impenetrabilidad de la materia, es decir que ningún objeto puede ocupar el mismo espacio de otro al mismo tiempo.

Espero les haya gustado la primera parte sobre el tema sobre las Fuerzas Fundamentales del Universo. En la siguiente edición de este blog les veremos la segunda parte donde hablaré de la Fuerza Nuclear Débil, la Nuclear Fuerte y la Gavitatoria. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.

La Materia Oscura

Hola nuevamente futuros científicos y aficionados a la ciencia ¿Cómo han estado? Ojala que muy animados de ponernos a usar nuestra imaginación en este blog. Ahora desarrollaré un tema que para muchos no es tan claro como su propio nombre lo dice, Materia Oscura, y veremos qué es, dónde se encuentra, cómo está compuesta y diversas preguntas más.

Antes de comenzar una explicación más profunda hay que responder una pregunta simple, ¿Qué es la Materia Oscura?

La Materia Oscura es una hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con la tecnología actual pero cuya existencia se puede deducir a partir de los efectos gravitacionales que causa en la materia visible, es decir la fuerza que hace que objetos estelares tales como las estrellas o las galaxias se muevan en cierta dirección o a cierta velocidad y esta no se debe confundir con la Energía Oscura, ya que son dos cosas totalmente distintas. Para tener una idea más clara se ha descubierto que en todo el universo observable la Energía Oscura ocupa el 74% y la Materia Oscura el 22% (esto debido a la fórmula de Einstein E=mc2 en donde para que exista tal cantidad de Materia Oscura debe existir casi 3 veces más Energía Oscura), mientras que el restante 4% se lo reparten, en su gran mayoría, nubes de gas y estrellas, con lo que nos deja tan solo una pequeña fracción para la materia ordinaria que conocemos. Eso nos hace pensar que tan poco conocemos nuestro universo y que tan pequeños somos.

La Materia Oscura fue propuesta por Fritz Zwicky (1898-1974) en 1933 ante la evidencia de una "masa no visible" que influía en las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos y  también desempeña un papel central en la formación de estructuras y en la evolución de galaxias, es decir tenía que haber “algo” que hacía que estas galaxias se aceleraran. Todas estas pruebas sugieren que las galaxias, los cúmulos de galaxias y todo el Universo contiene mucha más materia que la que interactúa con la radiación electromagnética, es por eso que es llamado "el componente de materia oscura". También podemos decir que su composición es desconocida aún para nosotros pero se tiene una idea de que podría estar compuesta por Neutrinos ordinarios y Partículas Elementales.

Ya habiendo aclarado qué es la Materia Oscura ahora habría que pensar ¿De qué está compuesta y cómo se puede “ver” la Materia Oscura?

Contestando la primera parte de la pregunta, hasta el momento el punto de vista más aceptado es que la Materia Oscura es ,principalmente, No-Bariónica, es decir que está compuesta de una o más Partículas Elementales (Leptones y Quarks) distintas de las normales electrones, protones, neutrones y los neutrinos conocidos. Las partículas propuestas más comunes son los axiones, neutrinos estériles y WIMPs (partículas masivas de interacción débil, incluyendo neutralinos) pero ninguna de estas es parte del modelo estándar de física de partículas, pero pueden aparecer en ampliaciones del modelo estándar. Han sido llevadas a cabo búsquedas experimentales de estos candidatos a materia oscura y aún continúan.

Contestando a la segunda parte de la pregunta podemos decir que para ver la Materia oscura se puede dividir en dos grandes categorías: Detección Directa en los que las partículas de materia oscuras se observan en un detector, es decir que en un laboratorio subterráneo los investigadores enfrían Germanio (Ge) y Silicio (Si) a temperaturas extremadamente bajas (cerca del cero absoluto, es decir, -273,15 grados Celsius). Este ambiente frío es ideal para detectar partículas de Materia Oscura directamente. Si una partícula pasa a través de dicho ambiente, impactando un núcleo atómico frío, libera carga y calor que los científicos pueden detectar con instrumentos súper sensibles. Estos experimentos detectan tres eventos que podrían sugerir una partícula masiva de interacción débil, o WIMP (“weakly interacting massive particle”), que pasó a través del experimento. Las WIMPs son un posible candidato para explicar la materia oscura, que no emite luz, pero interactúa con el Universo a través de su gravedad. No obstante, las señales detectadas podrían también ser fluctuaciones estadísticas, es por ello que los científicos esperarían ver tres o más de estos eventos tipo WIMP el 5,4% del tiempo debido simplemente a fluctuaciones aleatorias en el experimento. Pero las fluctuaciones detectadas por el experimento se encuentran en un rango similar de energía, lo que hace menos probable que sea un evento aleatorio.

Y la Detección Indirecta que busca los productos de aniquilaciones de materia oscura, es decir que en lugar de buscar directamente las partículas de materia oscura, los investigadores tratan de detectar otras partículas (neutrinos, fotones, etc.) producidas como consecuencia de la aniquilación de las propias partículas de materia oscura en el Universo en restos de Supernovas, Estrellas muertas o en Galaxias antiguas.

Por último hay que recalcar el ¿Porqué existe Materia Oscura?

Estimaciones basadas en los efectos gravitacionales de la cantidad de materia presente en el Universo sugieren, consistentemente, que hay mucha más materia de la que es posible observar directamente. Además, la existencia de materia oscura resolvería varias inconsistencias en la teoría del Big Bang, ya que se cree que la mayoría de la masa del Universo existe en esta forma. Determinar cuál es la naturaleza de la materia oscura es el llamado "problema de la materia oscura" o "problema de la masa desaparecida" y es uno de los más importantes de la cosmología moderna.

La cuestión de la existencia de la materia oscura puede parecer irrelevante para nuestra existencia en la Tierra pero el hecho de que exista o no afecta al destino último del Universo y, por ende, el nuestro propio a largo plazo. Se sabe que el Universo está expandiéndose, por el corrimiento al rojo que muestra la luz de los cuerpos celestes distantes. Si no hubiera materia oscura, esta expansión continuaría para siempre, es decir, si la actual hipótesis de la materia oscura es correcta, y dependiendo de la cantidad de materia oscura que haya, la expansión del Universo podría ralentizarse, detenerse o incluso invertirse (lo que produciría el fenómeno conocido como Big Crunch), aunque dudo mucho que fuera a ocurrir esto último. Sin embargo, la importancia de la materia oscura para el destino final del Universo se ha relativizado en los últimos años, en que la existencia de una constante cosmológica y de una Energía Oscura (74% del Universo) parece tener aún mayor importancia. Según las mediciones realizadas en 2003 y 2006 por el satélite WMAP, la expansión del Universo se está acelerando, y se seguirá acelerando debido a la existencia de la Energía Oscura, aunque sin causar una gran catástrofe para todas las especies alrededor del Universo.

Espero les haya gustado el tema acerca de la Materia Oscura. En la siguiente edición de este blog les hablaré sobre las Partículas Sub-Atómicas y el Bosón de Higgs. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.