ecuación de Vlasov

Un paquete de ondas se parece a un viajero que a veces pierde fuerzas y se dispersa por el camino, a veces mantiene el paso y a veces se concentra. En un canal de 50 metros con agua de 5 metros de profundidad, los científicos observaron cómo se comporta un grupo de olas con forma de campana cuando se cambia su altura pero no su ancho.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos y se mueven libremente. A veces, en ese gas, surgen espontáneamente regiones donde casi no hay electrones: se les llama agujeros. Como si en una corriente de agua apareciera un remolino que atrae todo lo que está alrededor. Pero cómo nace exactamente ese remolino ha sido durante mucho tiempo un misterio.

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.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

Un agujero negro no es una aspiradora. Por sí mismo, no atrae todo con más fuerza que una estrella ordinaria de la misma masa. Pero si cerca de él hay un campo magnético y alrededor vuelan partículas cargadas, comienza un juego interesante.

El Universo resonó intensamente en sus primeros instantes. En la era de la inflación, cuando el espacio se expandía más rápido que la luz, las energías eran monstruosas — billones de veces mayores que en el Gran Colisionador de Hadrones.

El plasma no es solo un gas caliente, sino toda una orquesta de partículas cargadas, donde cada grupo toca su propia parte. Los iones pesados (átomos que han perdido electrones) marcan el ritmo lento, mientras que los electrones ligeros se mueven diez mil veces más rápido.

Hace 13,8 mil millones de años, el Universo giraba en un vals. El giro a la derecha estaba prohibido. Hoy, los ecos de ese baile cósmico nos llegan en forma de una ondulación casi imperceptible del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Su existencia fue predicha por Albert Einstein.

En las profundidades del universo, cuando una estrella masiva colapsa en un agujero negro o nace un magnetar, se produce un estallido de rayos gamma que, por un instante, eclipsa a todas las estrellas del universo observable.

Un grupo de protones entra en una nube de plasma y deja tras de sí una huella invisible: una onda eléctrica. Esta onda puede atrapar otras partículas y acelerarlas hasta energías enormes. Pero es difícil de controlar: hay demasiados detalles en el comportamiento del plasma.

Los estallidos rápidos de radio (FRB) son faros enigmáticos del Universo que en milisegundos emiten una energía comparable a la que el Sol libera durante siglos.

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.

Un corredor que, a mitad de la carrera, de repente cambia a paso ligero: ni acelera ni frena, sino que mantiene un ritmo constante. Algo similar pudo ocurrirle al propio universo poco después del Big Bang. Esta fase se denominó «estasis», de la palabra griega que significa «detención».

En el centro de una galaxia diminuta hay un cúmulo denso de estrellas y materia oscura. Este cúmulo, llamado solitón, no está inmóvil: tiembla y oscila, como gelatina en un plato.

La luz de un blázar lejano (un núcleo activo de galaxia que apunta su chorro hacia nosotros) tarda miles de millones de años en llegarnos. En el camino, genera lluvias de partículas cargadas que el campo magnético intergaláctico desvía hacia los lados.

Justo después del Big Bang, el cosmos era un plasma caliente: una mezcla de partículas cargadas y luz. En ese medio, las corrientes eléctricas no podían fluir por sí solas: se necesitaba una «diferencia de potencial» que empujara a los electrones respecto a los fotones.

El universo temprano se expandía a una velocidad inimaginable, más rápido de lo que la luz habría podido cruzarlo. En ese hervidero, cualquier región del espacio era como un bote de pintura abierto: sus fronteras capturaban continuamente nuevo "vapor" del exterior, mientras parte de su contenido se escapaba irremediablemente.

En el núcleo denso de un cúmulo estelar, tres agujeros negros se encuentran en una danza peligrosa. El movimiento es caótico: las trayectorias se enredan como madejas de hilo. Luego uno de los agujeros sale disparado, mientras los otros dos quedan en una órbita alargada.

La paradoja del joven viento solar ha intrigado a los heliofísicos durante mucho tiempo. Las mediciones mostraron que cerca del astro los haces de protones no están borrosos, sino comprimidos, como si alguien les hubiera dado cuidadosamente la forma de una cabeza de martillo.

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?

Ya Jocelyn Bell Burnell, quien registró por primera vez la estricta periodicidad de las señales de radio, notó que algunos pulsos desaparecían repentinamente. Hoy sabemos que la variabilidad no es un capricho, sino la voz de una electrodinámica compleja.

Minutos antes de que una estrella masiva se convierta en supernova, en su interior se desarrolla un drama oculto. El gigantesco caldero hierve: la materia burbujea, gira, y los invisibles hilos magnéticos se rompen y vuelven a unirse.

En una olla de sopa hirviendo, de vez en cuando saltan pequeñas gotas de grasa, cien veces más calientes que el caldo. Así es más o menos el futuro plasma de fusión: la mayor parte de los iones se calienta a cientos de millones de grados, y una pequeña impureza de partículas 'rápidas' (nacidas de la fusión de núcleos) está aún más acelerada.

El campo magnético en un plasma se asemeja a una película de jabón tensada: la presión interior la expande, mientras la tensión superficial la contrae, dándole forma. Aquí ocurre lo mismo: las fuerzas magnéticas de presión y tensión se equilibran mutuamente.

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.

Una tormenta de polvo que no amaina desde hace millones de años no ruge en un desierto, sino entre las estrellas. Allí flotan nubes de gas enrarecido atravesadas por campos magnéticos. Estos campos alinean las partículas de polvo como agujas de brújula a lo largo de las líneas de fuerza.

La palma de la mano sobre una placa caliente siente el calor, incluso cuando el aire alrededor parece fresco. Algo similar ocurre con los electrones en el efecto Aharonov-Bohm: la partícula percibe el voltaje eléctrico, aunque entra en una región donde el campo ya está apagado.

Noche, un lago enorme, silencio absoluto. No se ven olas, pero se oye cómo rompen en la orilla con igual rumor desde todas las direcciones. Esto se asemeja a lo que los astrónomos llaman fondo de ondas gravitacionales: un murmullo incesante proveniente de la fusión de agujeros negros lejanos. Pero, ¿y si en algún lado del lago el chapoteo fuera un poco más fuerte?

Cuando una estrella masiva explota como supernova, sus capas externas se dispersan por el espacio a miles de kilómetros por segundo. Se forma una onda de choque: una gigantesca muralla invisible que arrasa el gas y el polvo interestelar, como una excavadora.

Un flujo de electrones entra en el plasma como un chorro de agua golpea un estanque tranquilo. El chorro perturba la superficie, generando ondas que crecen rápidamente y mezclan el agua. En el plasma, este proceso se llama inestabilidad de Buneman: el haz de electrones excita oscilaciones que luego disipan su energía.

Un torrente de gas incandescente se aleja de la estrella y, de repente, se detiene como si hubiera chocado contra una pared invisible. Esto es exactamente lo que vieron los investigadores al intentar reproducir una eyección estelar a escala de laboratorio.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se extienden círculos perfectos. Pero el fondo del estanque está sembrado de piececitas de vidrio invisibles: cada una retrasa un poco la onda, en algún lugar la dispersa, en otro cambia su paso.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.

Un láser potente impacta en un diminuto blanco, que al instante se convierte en una nube de gas incandescente: plasma. En esa nube nacen espontáneamente campos magnéticos. Actúan como manos invisibles que impiden que el calor escape libremente del centro caliente.

En el disco protoplanetario —la nube de gas y polvo que rodea a una estrella joven— las motas de polvo no se limitan a volar en círculos. Son arrastradas por la corriente de gas, como la arena por el viento, y a su vez modifican esa corriente.

Una estrella de neutrones es una ciudad del tamaño de una metrópolis comprimida hasta las dimensiones de un pequeño asteroide. A su alrededor hierve un plasma —un gas de partículas cargadas— a través del cual corren ondas como ondas en la superficie de un estanque. Hay tres tipos de ondas: de Alfvén (A), ordinarias (O) y extraordinarias (X).

Una estrella de neutrones del tamaño de una ciudad gira más rápido que una batidora de cocina y lanza partículas a su alrededor. A su alrededor se forma una nube luminosa, denominada halo de púlsar. La forma de esta nube depende de los campos magnéticos invisibles que, como las corrientes oceánicas, dirigen las partículas.

Un río tranquilo que de pronto empieza a hervir en un tramo llano: así se ve el enigma que abordaron los autores del nuevo trabajo. Tomaron una fina capa de gas cargado con un campo magnético muy débil y siguieron en la computadora qué le sucede. Al principio todo fluye uniforme, como agua del grifo.

El plasma no es solo un gas caliente, sino una mezcla de partículas cargadas que se mueven constantemente y crean campos magnéticos. Cuando el plasma hierve, estos campos se entrelazan como espaguetis en una olla hirviendo.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.