calentamiento de plasma

Sobre la mesa hay un trozo de grafito cultivado a partir de gas, como una capa en la pared de un reactor. Normalmente, ese material no sirve para convertir calor en electricidad: en su interior, los electrones y los huecos corren en direcciones opuestas y se anulan mutuamente.

En el centro de casi toda galaxia grande se encuentra un agujero negro supermasivo. No solo devora el gas que cae, sino que también expulsa parte de él en potentes chorros. Estos chorros, como pistones gigantes, empujan el gas circundante y lo calientan.

En una olla sobre la hornilla, el agua empieza a burbujear desde el fondo, mucho antes de que hierva por completo. Las burbujas de vapor ascienden desde el fondo, aunque la hornilla aún no se haya calentado del todo.

Un rayo láser impacta en un blanco delgado escondido entre capas de otro material. En milmillonésimas de segundo, la materia se comprime hasta una densidad de 25 gramos por centímetro cúbico, como si un trozo de plomo se volviera más de dos veces más pesado sin moverse de su sitio.

Un reactor de fusión es como un horno sobrecalentado donde el plasma alcanza millones de grados. Las paredes de ese horno se hacen de tungsteno: es el metal más refractario que existe. Pero ni el tungsteno aguanta sin protección: las partículas rápidas del plasma bombardean la superficie y arrancan átomos.

En una olla de sopa hirviendo, las pequeñas gotas de grasa flotan hacia arriba, mientras que los trozos pesados de verduras se hunden al fondo.

El viento solar es un flujo de partículas cargadas que se desprende constantemente de la superficie del Sol y llena todo el sistema solar. No se parece a una brisa uniforme: en su interior hay remolinos, ráfagas y zonas de calma. Los científicos llaman a esto turbulencia.

En la corona solar, de vez en cuando llueve, pero no agua, sino plasma. El gas sobrecalentado se enfría, se condensa en grumos y se precipita a lo largo de los bucles magnéticos, como gotas por canalones invisibles.

El campo de luz, como una gofrera cuidadosa, imprime en el espacio un patrón regular de zonas brillantes y oscuras. En los puntos más luminosos, como en pequeños hoyuelos, quedan atrapados los átomos: se forma una red óptica. Es la herramienta favorita de los físicos cuando quieren estudiar el comportamiento cuántico de la materia en estado puro.

Para asomarse a lo más profundo de la estructura del mundo, los físicos aceleran electrones y los hacen chocar. Un electrón común se parece a una peonza que gira de cualquier manera. Para experimentos delicados se necesitan partículas en las que todas las peonzas apunten en la misma dirección: eso se llama polarización.

Todo comenzó con un estiramiento. En las primeras fracciones de segundo, el universo se infló —los físicos llaman a esto inflación. Luego, la expansión vertiginosa dio paso a una fase en la que la energía del campo se transformó en partículas ordinarias.

El universo temprano se asemejaba a un caldero recalentado en el que bullían las fluctuaciones cuánticas (estallidos aleatorios de energía). En ese caos, como el vapor sobre el agua hirviendo, se condensó un campo especial: el escalar. Este se convirtió en el "motor" que hizo que el espacio se expandiera a una velocidad increíble.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

El té caliente se enfría y el helado se derrite: el calor siempre pasa de lo cálido a lo frío, y esta ley parecía inquebrantable. Pero en el mundo cuántico, incluso las reglas habituales pueden reescribirse.

El Sol es una caldera gigante donde la luz se abre paso a través de una espesa capa de materia incandescente. En su camino hacia la superficie, los fotones (partículas de luz) chocan constantemente con los átomos y pierden energía. La medida en que la materia retiene la luz se denomina «opacidad», y de ella depende la rapidez con que el calor escapa hacia el exterior.

El Sol dibuja sin cesar garabatos de campos magnéticos en su superficie. Estos patrones no son meras ondulaciones, sino una escritura en la que la naturaleza ha cifrado advertencias sobre erupciones.

Una cascada que no se calienta al caer, sino que se congela: así se comporta el gas que fluye hacia una estrella de neutrones en un púlsar de rayos X cuando la estrella brilla débilmente. Normalmente, la materia que cae se calienta hasta el blanco, pero un nuevo estudio muestra lo contrario.

En las enormes nubes de gas enrarecido que llenan el espacio entre las estrellas, algo bulle constantemente. Explosiones de supernovas, flujos que chocan: todo esto agita el plasma. Y en estas ondas, según se ha descubierto, se esconde un mecanismo que da origen a los campos magnéticos.

En los océanos profundos de las lunas heladas, el agua no se queda quieta. Chorros cálidos ascienden desde el fondo rocoso, pero la rotación del planeta los retuerce formando largos surcos inclinados, alargados a lo largo del eje de rotación. Antes, este proceso no podía incluirse en los modelos globales: era demasiado complejo.

A veces, el agua en una taza caliente se congela más rápido que en una tibia. Esta paradoja tiene más de medio siglo y se llama efecto Mpemba. Por lo general, se atribuye al movimiento del líquido o a la evaporación. Ahora, los físicos han demostrado que un truco similar es posible sin agua, simplemente mediante la emisión de calor.

El Sol es un caldero hirviente de hidrógeno y helio, donde el gas incandescente está atrapado en lazos magnéticos. Cuando los invisibles látigos magnéticos se reconectan, se libera una energía comparable a miles de millones de explosiones termonucleares. ¿Adónde va?

El cosmos está lleno de velocistas invisibles: partículas que corren casi a la velocidad de la luz. Se capturan en el viento solar, cerca de estrellas de neutrones e incluso en el vacío intergaláctico entre galaxias. Pero, ¿qué las acelera donde no hay ondas de choque ni reconexiones magnéticas?

Un secador de pelo potente que no sopla aire caliente, sino plasma incandescente: así son los túneles aerodinámicos de plasma. Se utilizan para probar en la Tierra cómo una nave espacial entrará en la atmósfera.

En el interior de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los núcleos atómicos se fusionan en largos filamentos y láminas planas. Los astrofísicos llaman a estas estructuras fideos nucleares. En su superficie, la densidad de la materia cae casi a cero, como si emergieras de un denso gel al aire enrarecido.

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de gas. No la absorbe, sino que la calienta, como una plancha dejada sobre un paño húmedo. De él emana radiación y a su alrededor se forma un punto caliente: una región donde la temperatura es cientos de veces mayor que la del espacio circundante.

Una fina capa de aceite sobre la superficie del agua se rompe en gotas con el más mínimo empujón. Algo parecido ocurre en el viento de púlsar — el flujo de partículas que expulsa una estrella de neutrones de rápida rotación. En este flujo también hay capas de plasma que pueden descomponerse en grumos — islas magnéticas.

En la ardiente corona solar, donde la temperatura supera el millón de grados, flotan nubes frías y densas: las protuberancias solares solares. Permanecen suspendidas durante semanas, sin caer ni disolverse, como icebergs en un océano hirviendo. Cómo llegaron allí es una pregunta que ha atormentado a los astrónomos durante décadas.

El plutonio es un metal con carácter. Una de sus formas se contrae al enfriarse, otra se hincha. Pero a temperatura ambiente la aleación se comporta de manera extraña: la regla dice una cosa y los rayos X dicen otra. La regla indica que la muestra apenas crece, mientras que los rayos X ven cómo los átomos de la red cristalina se separan cada vez más.

Inmediatamente después del Big Bang, el Universo experimentó una expansión ultrarrápida, idea propuesta por Alan Guth y desarrollada por Andrei Linde. Cuando la expansión cesó, el campo de energía comenzó a oscilar como un columpio gigante.

Una gigantesca olla de sopa hirviendo se extiende a lo largo de millones de años luz. Es la atmósfera del cúmulo de galaxias de Perseo: una nube de gas incandescente mantenida por la gravedad. Hasta hace poco, los astrónomos creían que en el centro de esta olla el gas se enfriaba tranquilamente, preparándose para convertirse en nuevas estrellas.

Una cacerola de aluminio común en la cocina no emite moléculas que se puedan atrapar con luz. Pero si se toma aluminio y una sal de aluminio, y se calientan juntos en un pequeño horno, se obtiene un flujo de moléculas de fluoruro de aluminio, como un chorro de vapor del pico de una tetera, solo que en lugar de gotas de agua vuelan partículas diminutas.

Una trampa magnética con forma de rosquilla confina un plasma de boro e hidrógeno. En su interior, la temperatura supera los cien millones de grados, más que en el centro del Sol. Con ese calor, los núcleos chocan y se fusionan, liberando energía.

El plasma cósmico no es un gas tranquilo, sino una sopa hirviendo de partículas cargadas atravesada por campos magnéticos. Estos campos se comportan como gomas elásticas tensadas: a veces se rompen y de inmediato se vuelven a unir, pero de otra manera.

Una estrella de neutrones es el remanente de una estrella que ha explotado, comprimido hasta el tamaño de una ciudad. En su núcleo, la materia está tan densamente empaquetada que una cucharadita de ese material pesaría como una montaña. A esa densidad, según predice la teoría de las interacciones fuertes, las partículas adquieren 'gemelas': compañeras de paridad.

El plasma caliente en un tokamak se parece a una bestia caprichosa: hay que contenerlo, pero sin dejar que se sobrecaliente. En el reactor ASDEX Upgrade han encontrado un modo en el que los vórtices del plasma resuelven este problema por sí solos.

La superficie del Sol hierve como el agua en una olla. El gas caliente asciende, se enfría y desciende: eso es la convección. Alrededor bullen los campos magnéticos, que se rompen y se vuelven a conectar.

En abril de 2023, los satélites japoneses detectaron una potentísima explosión de rayos X en la estrella de neutrones MAXI J1752–457. La estrella se enfrió en 4 días, cinco veces más rápido de lo normal. Como si alguien hubiera entreabierto una rendija cósmica. Esa rendija la abrió el «proceso Urca» nuclear.

Una llamarada solar es como un muelle gigante que se ha ido retorciendo y retorciendo hasta que de repente se suelta. La energía acumulada en el campo magnético se libera al espacio en cuestión de minutos, calentando el plasma a millones de grados.

La llamarada solar del 3 de junio de 2012 se comportó como una orquesta en la que, tras la actuación principal, entra inesperadamente un segundo solista. Primero, los instrumentos registraron un brusco aumento de radiación gamma con energía superior a 100 megaelectronvoltios, como si miles de millones de diminutas balas golpearan a la vez los detectores.

Cuando aparece una mancha brillante en una estrella, los astrónomos quieren saber cuánta energía se liberó al espacio. Antes imaginaban la llamarada como una hoguera que crece: el área del fuego aumenta, pero el calor sigue siendo el mismo. Así era más fácil calcular, pero la realidad resultó ser diferente.