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Aunque el plasma es inestable en condiciones terrestres, es el estado más común de la materia en el universo y constituye una gran parte de todas las estrellas del universo. También es bastante extraño, ya que plantea muchas preguntas que los investigadores todavía están trabajando para resolver.

Así como la energía de la luz es transportada por fotones, la oscilación del plasma es realizada por plasmones. Los plasmones no son una partícula per se, son algo llamado cuasipartículas, un concepto físico que los investigadores usan para tratar las excitaciones en los sólidos como partículas.

Aprendieron temprano en la escuela que los estados básicos de la materia son sólido, líquido y gaseoso. Hay otros estados exóticos que los científicos descubrieron más recientemente (como un superfluido o un condensado de Bose-Einstein, por ejemplo), pero esos tres son los que conocemos como los principales estados de la materia. Sin embargo, a tu profesor de primaria se le puede haber escapado otro: el plasma.

El plasma tiene mucho que ver con el calor: agregue suficiente calor a los sólidos y se vuelven líquidos, luego el líquido se convierte en gas. Finalmente, con suficiente energía para ionizar átomos en una sopa de electrones e iones (átomos cargados eléctricamente), tienes plasma.

El plasma tiene algunas características únicas que surgen como resultado de la forma en que las partículas interactúan entre sí en este estado. Echemos un vistazo a ellos.

Blindaje Plasmon y Debye

Considere un plasma eléctricamente neutro, esto significa que, entre los iones y electrones libres cargados, las cargas positivas y negativas se anulan entre sí. Si cambiamos la posición de unos pocos electrones, incluso si son solo unos pocos, el desplazamiento cambiará el equilibrio eléctrico, por lo que los iones ahora desequilibrados intentarán moverse a una posición para restablecer el equilibrio. Debido a que las cargas opuestas se atraen, cuando los electrones se mueven, los iones positivos intentan atraerlos y hacer que todo vuelva a estar organizado. En plasma, esta oscilación ocurre hasta que se alcanza algún equilibrio. Este fenómeno se llama ondas de Langmuir.

Si agrega partículas cargadas al plasma, los iones y electrones se reorganizan para alcanzar un estado casi neutral. Para hacerlo, los electrones crean una especie de escudo electromagnético alrededor de la partícula positiva, repeliendo los iones positivos de esta. Esto se llama Protección Debye.

La región necesaria para involucrar tal partícula se llama envoltura de Debye o envoltura electrostática. Este tipo de vaina aparece en el plasma porque los electrones suelen tener una temperatura mucho más alta que la de los iones. Esto crea una capa en el plasma que tiene una mayor densidad de iones positivos y, por lo tanto, un exceso general de carga positiva.

Vainas de iones positivos alrededor de los cables de rejilla en un tubo de gas termoiónico. Wikimedia Commons

Dependiendo de la carga y de las características del plasma, la vaina puede ser más grande o más pequeña. Los científicos clasifican los plasmas según el tamaño de esta vaina: un plasma ideal tiene muchas partículas por volumen de vaina de Debye, mientras que menos partículas dificultan que los electrones protejan nuevas partículas.

El universo primitivo estaba hecho de plasma.

El plasma puede volverse muy extraño, por lo que es algo sorprendente que todo el universo fuera, en algún momento, plasma.

Durante los primeros 10 a 15 microsegundos del universo, se llenó de una sopa súper caliente hecha de partículas llamadas gluones y quarks. Los gluones son el pegamento que une los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas más grandes. Durante ese período inicial, el universo tenía una temperatura de casi 2 billones de Kelvin. Esto es lo más caliente que ha estado el universo.

La historia del universo por la física de partículas. Créditos: Grupo de Datos de Partículas.

Podemos simular tales condiciones en un colisionador de partículas. En estos aceleradores, los científicos trituran oro pesado o iones de plomo para producir la sopa de quarks y gluones (QGP), el material que compuso el universo de plasma primitivo. En tales condiciones, aprendieron que este estado de la materia se comporta como un fluido perfecto, no viscoso como la miel.

Los dos lugares perfectos para formar QGP son el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Los iones se aceleran al 99,995 % de la velocidad de la luz, y QGP existe solo durante una fracción muy pequeña de segundo (casi cero) antes de que se condense de nuevo para formar partículas más pesadas.

Los científicos recopilan los datos del acelerador e intentan explicar el lío con la cromodinámica cuántica, una teoría muy compleja que se esfuerza por describir una de las interacciones fundamentales en la naturaleza, la interacción fuerte.

Esta imagen muestra la vista final de una colisión de dos haces de oro de 30 mil millones de electronvoltios en el detector STAR del Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Los rayos viajan en direcciones opuestas a casi la velocidad de la luz antes de chocar. (Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven).

Materia estelar

No necesita ir al laboratorio para encontrar plasma, simplemente salga. Tenemos el sol (durante el día) y las estrellas (durante la noche). Algunos días, incluso puedes verlo en el cielo, en forma de relámpago.

El plasma también se encuentra disperso por todo el universo. Llamado el medio intergaláctico Warmhot (WHIM), hay plasma de alrededor de mil millones de Kelvin encontrado entre galaxias. Alrededor de las galaxias existe un reservorio de gas difuso en forma de plasma llamado medio circungaláctico (CGM). Esto suele ser difícil de estudiar para los científicos porque el gas tiene una densidad muy baja, pero algunas simulaciones parecen tratar de comprender el papel de CGM en la formación de galaxias.

También puede encontrar plasma en los planetas, principalmente en sus magnetosferas, las regiones del campo magnético de los planetas que afectan a las partículas cargadas que vienen del espacio. Las magnetosferas sirven como protección contra el viento solar y, en el caso de los planetas gigantes, estas regiones pueden ser más grandes que el Sol. Dentro de Júpiter dentro del flanco del amanecer de la magnetopausa, los científicos encontraron protones e iones pesados.

Esta vista visualiza solo la parte interna de la magnetosfera. La magnetosfera joviana completa es una enorme estructura en forma de renacuajo que se expande a docenas del ancho de Júpiter alrededor del planeta. En la dirección que se aleja del sol, la cola magnética se extiende hasta la órbita de Saturno. Wikimedia Commons.

El plasma es un estado especial de la materia, se encuentra fácilmente en el universo. A diferencia de los otros estados de la materia, viene con otras propiedades especiales porque está hecho de ingredientes cargados. Gracias a la física del plasma, entendemos las primeras etapas del universo y los objetos astrofísicos.

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