Sólido, líquido, gaseoso… Y los otros cuatro estados de la materia en las estrellas

Hielo o vapor. En forma de lluvia o inundando mares y océanos. Es agua, una misma molécula que puede adquirir tres estados muy diferentes. En la Tierra, entre sólidos, líquidos y gaseosos anda el tema. Son los tres (¿o eran cuatro?) estados de fundamentales de la materia. Pero más allá, cruzando el vacío del espacio, en el reino de las estrellas, la materia adquiere otros estados bastante más exóticos. ¿Qué son la materia degradada, la materia neutrónica o el plasma de quarks y gluones?

Los estados (habituales) de agregación de la materia

El agua se solidifica a 0°C y hierve a 100°C. Así lo aprendemos todos en el colegio. Pero la afirmación no es exactamente cierta. En la cima del Everest, a casi 9.000 metros sobre el nivel del mar, el agua hierve a 74°C. Y en las profundidades del planeta, donde las temperaturas superan los miles de grados centígrados, los metales se mantienen en estado sólido. ¿Cómo es tan siquiera posible?

Como explica el divulgador Jordi Pereyra en ‘Las 4 cuatro fuerzas que rigen el universo’, la temperatura de cualquier objeto se corresponde, en realidad, con la velocidad media a la que se mueven todas las partículas que lo componen. Es decir, que una sustancia esté en estado sólido, líquido o gaseoso depende también del movimiento de sus partículas. Y dicho movimiento se ve influido por la presión.

Es así que, en la Tierra, en función de las condiciones de temperatura y presión, conocemos tres estados de agregación de la materia fundamentales. De esta forma hablamos de sustancias sólidas, líquidas o gaseosas.

Las partículas de las primeras poseen nexos rígidos y fuertes; y estas fuerzas que las unen mantienen estable la forma y el volumen de la sustancia, otorgándole cierta dureza y resistencia. En los líquidos, las partículas se encuentran lo bastante cohesionadas para mantenerse juntas, pero lo suficientemente dispersas poder fluir y cambiar de forma. Y en estado gaseoso las partículas no están unidas y tienen poca fuerza de atracción, por lo que no existe volumen ni forma definidos.

El plasma (sí, de los televisores)

Aunque podamos pensar que eso es todo, los terrícolas estamos familiarizados con un cuarto estado de la materia: el plasma. Es cierto que es un estado de agregación de la materia habitual en las estrellas y en nuestro planeta no es se suele encontrar de forma natural. Pero aparece, por ejemplo, en los relámpagos y otras chispas eléctricas, las lámparas fluorescentes y los televisores de plasma (hoy ya desbancados por otras tecnologías de paneles).

El estado plasmático es, de hecho, el estado de la materia más habitual en el universo y se produce cuando las elevadas temperaturas provocan que los átomos pierdan electrones. Se trata así de una especie de gas ionizados porque algunos de sus átomos se han convertido en iones positivos (átomos con carga positiva) y existen electrones libres. Los plasmas son buenos conductores de la electricidad y se pueden ver influidos por los campos magnéticos.

las estrellas se comportan de manera diferente

Los estados de la materia en las estrellas

A partir de este punto, entramos en un terreno complicado, al margen de la definición más ortodoxa de estado de la materia. Los estados reales y teóricos de la materia se multiplican. Tenemos, por ejemplo, el Condensado de Bose-Einstein, predicho por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose en 1927 y obtenido en 1995 por los físicos Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle y Carl E. Wieman en 1995 (ganarían el Nobel de física por su descubrimiento seis años más tarde). En este estado, la temperatura es tan baja que la materia se condensa en una sustancia fría y densa en la que los átomos se quedan inmóviles.

El condensado de Fermi y los supersólidos son otros de los estados de la materia que han sido descritos. Pero ¿qué pasa en las estrellas? En esas inmensas bolas de fuego (y plasma) que iluminan el universo, la materia adquiere formas exóticas.

  • La materia degenerada. En las enanas blancas, un remanente estelar que se produce cuando las estrellas de menor tamaño agotan su combustible, se dan condiciones particulares de alta presión debido a la gravedad. Bajo estas condiciones, la materia se comprime de tal manera que apenas queda espacio de separación entre partículas. Es la materia degenerada. Se trata de un gas que se comporta como un sólido; es un estado en el que los átomos pierden su estructura habitual.
  • La materia neutrónica. Las grandes estrellas, al colapsar, generan condiciones de gravedad muy elevadas. En función de su fuerza, hablamos de dos tipos de estados de materia. La materia neutrónica se da en las estrellas de neutrones. La gravedad es tan elevada que los electrones se fusionan con los protones de los átomos, creando neutrones. Las estrellas de neutrones son tan compactas que pueden contener la masa del Sol en una esfera de 20 kilómetros de diámetro.
  • El plasma de quarks y gluones. En condiciones de mayor gravedad, ni siquiera los neutrones resisten. La materia se descompone formando una sopa ultradensa de partículas elementales como la que, se supone, había en las primeras millonésimas de segundo tras el Big Bang. La existencia del plasma de quarks y gluones ha sido confirmada en el acelerador de partículas del CERN. Pero la presencia de estrellas de quarks compuestas por este tipo de plasma en el universo sigue siendo un misterio.

la materia en los agujeros negros

¿Y los agujeros negros? Si la gravedad es todavía más elevada, la materia provoca una curvatura del tejido espacio-tiempo de la que casi nada escapa. Ni la luz. Por eso es tan negro. Poco se conoce del estado de la materia en los agujeros negros. Sin embargo, la fotografía tomada por el Telescopio del Horizonte de Sucesos el año pasado permitió detectar la luz cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro y, de paso, conocer un poco más sobre estas anomalías estelares.

Imágenes | Unsplash/Zoltan Tasi, NASA, Event Horizon Telescope