Archivo de noviembre, 2010

38 antihidrogenitos.

El experimento ALPHA del CERN ha logrado capturar 38 antiátomos durante algo más de un sexto de segundo.
¿Qué significa esto? ¿Por qué es importante?

Salió publicado en prensa el jueves pasado: el experimento ALPHA del CERN ha logrado capturar 38 átomos de antimateria durante diecisiete centésimas de segundo, antes de que se fugaran. Qué pasada, ¿eh? Qué barbaridad, qué cosas hace la ciencia…

…venga, en serio. :-D A ver, que levante la mano quien pueda decir qué significa esto y por qué tiene a los físicos de medio mundo descorchando el champán bueno (vale, si eres físico, me imagino que ya sabes por qué andas borracho; pero ¿y si no? ¿Eh? ¿Eh? ;-) ).

El experimento ALPHA del CERN (Foto: CERN)

El experimento ALPHA del CERN (Foto: CERN)

Antimateria.

Partículas y antipartículas.

Partículas y antipartículas: electrón y positrón, protón y antiprotón, neutrón y antineutrón. Son como "imágenes en el espejo" con las cargas invertidas (el neutrón no tiene carga eléctrica, pero el antineutrón está compuesto de antiquarks, al igual que el antiprotón). Al combinarse, forman átomos y antiátomos.

Ya explicamos en este blog qué es la antimateria. Para resumirlo rápidamente, haré aquello tan feo de citarme a mí mismo:

La antimateria es, sencillamente, materia donde alguna de las cargas está invertida con respecto a la materia corriente. Veámoslo con un electrón, que se comprende muy bien. El electrón, como leptón que es, tiene masa y spin pero sólo una carga: la eléctrica, siempre negativa. Su antipartícula, llamada positrón, posee exactamente la misma masa, spin y carga eléctrica; sin embargo, en este caso la carga eléctrica es positiva.

De esta forma el positrón mantiene todas las propiedades de su antipartícula el electrón pero electromagnéticamente reacciona al revés. Por ejemplo: dos electrones, por tener carga negativa, tienden a repelerse entre sí. Pero un electrón y un positrón, aunque en todo lo demás sean idénticos, tienden a atraerse entre sí porque uno tiene carga eléctrica negativa y el otro positiva. Y así con todo.

Con los quarks ocurre lo mismo. El quark arriba, por ejemplo, tiene una carga eléctrica de +2/3 (dos terceras partes de la de un positrón). Antiarriba, en cambio, tiene una carga eléctrica de -2/3 (dos terceras partes de la de un electrón). Su carga cromática también cambia: si por ejemplo está en estado rojo, el antiquark estará en anti-rojo, que se suele llamar magenta. (Que esto de los colores no te confunda: es una forma simbólica de representar su estado de cara a la cromodinámica cuántica; no tiene nada que ver con colores de verdad).

Veamos lo que ocurre entonces con un protón y un antiprotón; por ejemplo, respecto al electromagnetismo, que es más sencillo. Hemos quedado en que los protones (como todos los bariones) están compuestos de tres quarks, y que en su caso éstos son dos arribas y un abajo. El quark arriba lleva una carga eléctrica de +2/3 y el quark abajo, otra de –1/3. Sumémoslas: (+2/3) + (+2/3) + (–1/3) = +3/3 = +1. Resultado: el protón tiene una carga positiva.

Ahora contemplemos el antiprotón, formado por dos antiquarks arriba (carga –2/3) y un antiquark abajo (carga +1/3). Observa que está formado exactamente igual, sólo que con las versiones invertidas de los quarks. Sumemos (–2/3) + (–2/3) + (+1/3) = –3/3 = –1. Resultado: el antiprotón tiene una carga negativa.

El resto de cargas también se invierten. En aquellos leptones que no tienen carga eléctrica (los neutrinos) se invierte otra propiedad distinta, la helicidad, que es la proyección del spin relativa al momento de inercia. O, alternativamente, es posible que sean partículas de Majorana y constituyan su propia antipartícula.

La antimateria ha llamado la atención de muchas personas, entre otras cosas por sus propiedades energéticas explosivas. Cuando la materia entra en contacto con la antimateria, se aniquilan mutuamente siguiendo la conocida fórmula E=mc2. Pero, así como en la fisión y en la fusión sólo es una minúscula parte de la materia o energía del átomo las que se liberan, en la aniquilación materia-antimateria toda la masa se transforma íntegramente en energía. Y esto, compi, es de una potencia pavorosa, la reacción más energética posible en todo el universo conocido:

Medio gramo de materia interactuando con medio gramo de antimateria (un gramo de masa total) genera espontáneamente 89.876 gigajulios de energía (se obtiene aplicando simplemente E = mc2; E = 0,001 · 299.792.4582 = 89.875.517.873.682 J). En términos de energía utilizable, esto equivale a unos 25 gigawatios-hora (una central nuclear como Cofrentes tirando watios a toda mecha durante casi un día entero); si queremos presentarlo en términos de energía explosiva, son 21,5 kilotones: como Nagasaki más o menos. Con un solo gramo de material.

Mapa de positrones en la Via Láctea.

Esta imagen del Observatorio Espacial Compton de la NASA presenta evidencias de que existe una nube de positrones, una forma de antimateria, extendiéndose a lo largo de unos 3.000 años-luz sobre el centro de la galaxia. Estos rayos gamma tienen una energía de 511 keV, un cuarto de millón de veces más que la luz visible, y se producen cuando los positrones de antimateria se aniquilan con los electrones de materia; así, la masa de ambos queda convertida íntegramente en energía según la conocida ecuación relativista E = mc2. Curiosamente, esta nube de antimateria parece extenderse hacia el norte del plano galáctico pero no hacia el sur.

Comparemos. El uranio-235 de grado militar puede llegar a producir, óptimamente, 88,3 gigajulios por gramo; la mezcla usada normalmente en las centrales civiles, entre medio y tres y medio. Por debajo de mil veces menos. La fusión del deuterio-tritio en las armas termonucleares puede alcanzar 337 gigajulios por gramo; y la fusión más energética posible roza los 650; esto es, ciento y pico veces menos.

La aniquilación materia-antimateria tiene otra ventaja: a diferencia de la fusión, se produce espontáneamente en todos los rangos de energía. A diferencia de la fisión, se produce con cualquier cantidad de materia/antimateria. Esto significa que no presentaría problemas de contención: el diseño conceptual de un reactor de materia-antimateria se parecería mucho al de un carburador o, si lo prefieres, a un motor cohete o una central térmica normal. Si necesitas más energía aumentas un poco el flujo, si necesitas menos lo reduces, si dejas de necesitar lo cortas. Eso es todo.

Como la antimateria presenta propiedades exactamente simétricas a la materia (o eso hemos observado hasta el momento), puede organizarse de manera idéntica. Un universo de antimateria sería indistinguible de un universo de materia. Este nuestro podría ser un universo de antimateria donde anduviéramos a la caza de la materia. De hecho, lo es: el «pro» y el «anti» dependen exclusivamente del punto de vista humano. Así pues, la antimateria se organiza en átomos igual que la materia:

Entonces imaginemos un átomo, el más básico de todos: el hidrógeno-1 o protio (hidrógeno corriente). Está compuesto por un protón (carga eléctrica positiva) y un electrón (carga eléctrica negativa) en órbita alrededor. Esta configuración es posible porque el protón y el electrón, al tener cargas distintas, tienden a atraerse (igual que hace la gravedad con una nave espacial en órbita alrededor de un planeta).

Si sustituimos el electrón por su antipartícula el positrón, o el protón por un antiprotón, este átomo se vuelve imposible: ambos tendrían idéntica carga, se repelerían violentamente y saldrían despedidos cada uno por su lado.

Pero si sustituimos los dos –el electrón y el protón– por un positrón y un antiprotón, el átomo es igualmente posible porque las relaciones entre ambos se mantienen; sólo que ahora están invertidas. Ahora la carga positiva está en el positrón orbitando y la negativa se halla en el antiprotón del núcleo, pero como la relación entre ambas se mantiene (cargas invertidas), el átomo puede existir. Y se llama antihidrógeno. No sólo puede existir, sino que hemos fabricado un poquitín. El CERN (sí, los mismos del LHC) fue el primero en lograrlo, probablemente en 1995 y de manera verificada a partir de 2002 en sus deceleradores de partículas. En los aceleradores también se ha creado un pequeño número de núcleos de antideuterio (antihidrógeno-2) y antihelio-3. Hablamos, en todo caso, de cifras de billonésimas de gramo. Con la tecnología presente, su coste sería tan exorbitante como su rareza: aproximadamente, 50 billones de euros por un gramo de antihidrógeno.

Pero no todo es tan difícil. Por ejemplo, ya existen desde hace algunos años aplicaciones tecnológicas basadas en la antimateria, como la tomografía por emisión de positrones (PET) de uso generalizado en medicina moderna.

Hidrógeno y antihidrógeno.

Un átomo de hidrógeno (isótopo: protio) y otro de antihidrógeno (isótopo: antiprotio). Esta es la antimateria que se logró contener esta semana en el CERN durante más de un sexto de segundo.

El Big Bang produjo, sobre todo, grandes cantidades de hidrógeno: la mayor parte protio y alguna pequeña cantidad de deuterio y tritio. También pudo formar algo de helio, litio y berilio. Todos los demás elementos que componen el cosmos –eso nos incluye a nosotros– surgieron en las estrellas; como decía Sagan, somos esencialmente polvo de estrellas. Y el Big Bang produjo sobre todo hidrógeno precisamente porque es el elemento más sencillo. Digamos que fue un suceso demasiado primitivo para formar cosas mucho más sofisticadas; éstas necesitaron procesos mucho más largos y complejos, en el corazón de los soles. Cuando las personas intentamos crear antimateria, también empezamos por el elemento más básico. Como ya hemos dicho, este es el antihidrógeno: un antiprotón en el núcleo y un positrón (antielectrón) orbitando alrededor.

La institución líder en el mundo para estas cuestiones de física súperavanzada es la Organización Europea de Investigaciones Nucleares (también llamada Laboratorio Europeo para la Física de Partículas), más conocido por sus siglas originales CERN. Hay otras instituciones de gran prestigio, pero algunas cosas que se hacen en el CERN no se hacen ni se pueden hacer en ningún otro lugar. Como resulta bien sabido, el CERN dispone del LHC, el acelerador de partículas más grande y potente del mundo por casi un orden de magnitud. Pero no solamente eso: también cuenta con algunos otros medios únicos. Entre ellos se encuentra el Decelerador de Antiprotones (AD). ¿Qué es esto de un decelerador?

La fábrica de antimateria.

El Decelerador de Antiprotones sucede a tres máquinas de antimateria anteriores desarrolladas en el CERN: AA, AC y LEAR. Aunque en 1995 LEAR creó al menos 9 átomos de antihidrógeno (la primera producción de antimateria atómica de la historia), en 1996 estas tres máquinas se cerraron porque era preciso liberar recursos económicos para la construcción del LHC. Cosas de las reducciones de costes y tal. Sin embargo, un grupo de científicos no estuvo de acuerdo con esta cancelación y presionaron para que se instalara al menos una nueva máquina de bajo coste. Esta nueva máquina fue el Decelerador de Antiprotones (AD).

Un decelerador es un tipo particular de acelerador; en esencia, un anillo de almacenamiento que hace cosas. Cuando una partícula choca con un blanco a velocidades próximas a las de la luz –de esto se encarga el acelerador–, se producen temperaturas locales enormes, en el rango de diez billones de grados. Sí, millones de millones. A estos niveles, una parte de la energía generada se transforma en materia: con estas máquinas somos capaces de crear materia nueva a partir de la energía. Y siempre, siempre surge como un par partícula-antipartícula. Esto es, materia y antimateria. Tal como predijo Paul Dirac a principios del siglo XX, nunca se ha observado que surja un número desigual de partículas materiales y antimateriales. Esta materia-antimateria sigue las mismas leyes que toda la demás del cosmos, con lo que forma cosas conocidas: protones, neutrones, electrones, antiprotones, antineutrones, positrones y demás fauna habitual.

El Dr. Jeffrey Hangst a los mandos del experimento ALPHA del CERN.

El profesor Jeffrey Hangst, astrofísico de la Universidad de Aarhus (Dinamarca), a los mandos del experimento ALPHA. (Foto: CERN)

Cuando se lanzan protones (casi siempre producidos por el Sincrotrón de Protones) contra un blanco, aproximadamente en un impacto de cada millón se forma un par protón-antiprotón. Parece una cifra muy baja, pero como el Sincrotrón de Protones produce muchos, pueden generarse más o menos diez millones de antiprotones por minuto. Estas partículas siguen avanzando con elevada energía, pero no todos con la misma («esparcimiento de energía», energy spread), ni tampoco en la misma dirección («oscilación transversa»). Parecen un montón de críos traviesos saliendo de clase a la carrera, cada uno a una velocidad y con una dirección.

Cada vez que una de estas antipartículas entra en contacto con una partícula (por ejemplo, en las paredes del acelerador) ambas se aniquilan instantáneamente, generando energía. Sin embargo, son tan minúsculas y su número es tan bajo que no causa ningún efecto visible a los ojos. Pero, en todo caso, esto no nos conviene: queremos esos antiprotones para hacerles cositas. Así pues, utilizamos magnetos para obligarles a continuar por un camino determinado (que está, por supuesto, al vacío). De este modo llegan al decelerador, un anillo de doscientos metros de diámetro, donde continúan dando vueltas sin tocar las paredes por acción de estos magnetos.

A cada vuelta que dan por dentro del anillo, los intensos campos magnéticos van frenándolos. Cuando su velocidad desciende a una décima parte de la de la luz, se consideran decelerados y un cambio súbito en el campo magnético los saca hacia la línea de eyección, donde ya los tenemos disponibles para hacer cosas con ellos de manera manejable. Por su parte, los positrones (antielectrones) suelen proceder del isótopo radioactivo sodio-22. El experimento ATRAP se encargó de decelerar y acumular estas antipartículas frías para dar el siguiente paso: la creación artificial de antiátomos a escala significativa.

En agosto de 2002, el experimento ATHENA logró combinar estos antiprotones y positrones para formar muchos átomos de antihidrógeno de baja energía, muchos más que aquellos nueve originales de 1995: produjo cincuenta mil de ellos en un momentín. Esto se pudo confirmar con bastante facilidad, por el sencillo método de observar y contar las aniquilaciones subsiguientes con la materia del entorno.

La "celda de antiátomos" del experimento ALPHA del CERN.

La "celda de antiátomos" del experimento ALPHA del CERN.

Domando antiátomos.

Este fue un éxito enorme de esos que cabe celebrar con pompa y fanfarria. Por primera vez habíamos obtenido antimateria atómica manejable en cantidad suficiente para hacer algo con ella; y lo primero, por supuesto, estudiarla. Así se empezó a resolver una de las grandes preguntas de la física: la antimateria, ¿es de veras totalmente simétrica con respecto a la materia o presenta alguna anomalía oculta? Según el teorema CPT, sus espectros debían ser idénticos, con completa precisión. En estos momentos, sabemos ya que sus propiedades son especulares por completo hasta una precisión de una parte en cien billones.

ATHENA y ATRAP produjeron antihidrógeno combinando antiprotones y positrones en unas botellas electromagnéticas que se llaman trampas de Penning. Las trampas de Penning tienen fuertes campos magnéticos solenoidales y pozos electrostáticos longitudinales que son capaces de confinar las partículas cargadas. Como el antiprotón presenta carga negativa y el positrón la tiene positiva, ambas resultan contenidas en estas trampas de Penning.

Sin embargo, cuando ambas partículas se combinan en un átomo, la carga negativa del antiprotón y la positiva del positrón se anulan mutuamente. Entonces, el átomo de antihidrógeno resultante es electromagnéticamente neutro. Las trampas de Penning no pueden contener cosas neutras y nuestro precioso átomo antimaterial entra rápidamente en contacto con la pared material de la botella, aniquilándose pocos microsegundos después de su formación. Para estudiar el antihidrógeno con técnicas más detalladas (como la espectroscopia láser) hay que contenerlos durante más tiempo. Como mínimo, durante un séptimo de segundo en esa mezcla de anti-átomos neutros y partículas constituyentes cargadas.

Para resolver este problema se creó el experimento ALPHA. Se pueden atrapar átomos o antiátomos neutros porque tienen momento magnético y éste puede interactuar con un campo magnético exterior. Si creamos una configuración de campo con una fuerza magnética mínima, desde donde el campo se desarrolle en todas direcciones, algunos estados cuánticos del átomo se verán atraidos hacia esta región de potencia mínima. Esto suele adquirir la forma de una trampa de Ioffe-Pritchard. La idea es que cuando el antiátomo se forme, lo haga ya «prisionero» en esta trampa, disponible para su estudio al mentos durante unas fracciones perceptibles de segundo.

Y eso es exactamente lo que se supo logrado el pasado miércoles: ALPHA fue capaz de capturar 38 antihidrógenos neutros durante 170 milisegundos, más de un sexto de segundo y por tanto más de lo necesario para poder estudiar la antimateria con espectroscopia láser como si se tratara de materia vulgar. Se abre así la puerta para comprender uno de los misterios más sobrecogedores de este universo: su asimetría bariónica y por tanto la violación de la simetría CP.


Explicación del funcionamiento de la «trampa de antiátomos» del experimento ALPHA (CERN). (En inglés)

Detección de antimateria en el AD del CERN.

La aniquilación de antimateria tal como es detectada en el Decelerador de Antiprotones del CERN. El antiprotón produce cuatro piones cargados (amarillo), cuyas posiciones quedan determinadas mediante microcintas de silicio (rosa) antes de depositar su energía en los cristales de yoduro de cesio (cubos amarillos). El positrón también se aniquila, produciendo rayos gamma transversales (rojo).

Entonces, ¿esto para qué sirve?

En nuestro universo hay algunas cosas notables que todavía no nos cuadran. Una de ellas es este hecho sencillo: si la materia se forma siempre en pares partícula-antipartícula, si a cada partícula de este universo le corresponde una antipartícula… entonces, ¿dónde está toda la antimateria? Si durante el Big Bang se hubiera formado tanta materia como antimateria, ambas se habrían aniquilado entre sí y el cosmos no existiría ahora mismo.

Para empezar, ¿cómo sabemos que el universo es esencialmente material y no antimaterial? Bueno, pues porque todas las interacciones que conocemos hasta el momento sugieren un predominio radical de la materia. Cuando mandamos naves a otros planetas, no se aniquilan. En los rayos cósmicos que llegan a la Tierra, procedentes del Sol y del resto de la galaxia, hay diez mil veces más protones que antiprotones. Tampoco estamos detectando la energía de aniquilación que debería producirse en las regiones de transición entre galaxias de materia y galaxias de antimateria, si estas últimas existieran. La cantidad de antimateria en el cosmos parece ser extraordinariamente baja, y existe sólo cuando se forma a partir de procesos de la materia.

Aparentemente, la inmensa mayor parte del universo se aniquiló a sí misma durante el Big Bang. Edward W. Kolb y Michal S. Turner han estimado que durante el origen de todo se formaron treinta millones de antiquarks por cada treinta millones y un quarks. Tras la aniquilación, esa diferencia de un quark por cada treinta millones formó el cosmos presente.

Dije más arriba que en el laboratorio siempre observamos cómo de la energía surgen pares partícula-antipartícula y nunca desigualdades entre partículas y antipartículas. Esto no es exacto. En realidad, puede surgir más materia que antimateria bajo las condiciones de Sakharov; se han registrado muchas violaciones de la simetría CP y recientemente se han encontrado indicios de formación asimétrica de muones-antimuones en el Tevatrón del Fermilab estadounidense. El logro del CERN, junto a los demás avances en el campo, no sólo apuntan ya a una comprensión más profunda de los primeros momentos del universo –la ruptura de la supersimetría y la bariogénesis primordial–, sino que sugieren posibilidades futuras relacionadas con la transformación de la materia en energía y de la energía en materia.

La tomografía por emisión de positrones (PET): una aplicación práctica de la antimateria en medicina.

La tomografía por emisión de positrones (PET): una aplicación práctica de la antimateria en medicina.

Hay personas que no entienden por qué todo esto es importante ni por qué algunos defendemos a capa y espada que se prioricen recursos para esta clase de investigaciones, cuando hacen falta tantas cosas en el mundo y encima ahora que estamos en crisis. Por lo general, estas personas ignoran un hecho sustancial del progreso humano: desde hace más de cien años, sin teoría no hay práctica, sin ciencia no hay tecnología. Hubo una época, siglos atrás, en que era posible avanzar la tecnología por la cuenta de la vieja: trasteando con cosas hasta que hallabas una solución a un problema. Sin embargo, nada de lo que hemos visto suceder en el último siglo habría sido posible sin el desarrollo teórico de la ciencia. En cuanto subes un poquito el nivel, sin teoría previa, no hay práctica que valga. Tienes que comprender cómo funcionan las cosas antes de hacer algo con ellas, y no digamos ya de crear cosas nuevas.

Por ejemplo, toda la tecnología electrónica e informática moderna se derivan directamente de la Teoría Atómica, la Teoría de la Relatividad y la Teoría Cuántica, originadas a principios del siglo XX. No existe forma alguna de crear un transistor electrónico sin tener primero claros estos conceptos, y no digamos ya construir un microchip; lo mismo ocurre con la química moderna, los nuevos materiales y en general todo lo que constituye el mundo que conocemos. La medicina contemporánea sería imposible sin la Teoría Microbiana, la Teoría de la Evolución o los fundamentos teóricos de la farmacología química, entre otras muchas. Y así en todos los casos.

Actualmente, además, la ciencia es multidisciplinar y no le queda otra que serlo cada vez más. Es una situación –vamos a llamarlo así– holística, donde se requiere al mismo tiempo un grado asombroso de hiperespecialización y un grado igualmente asombroso de visión de conjunto. Hoy por hoy, no resulta extraño que un avance teórico en un oscuro rincón del conocimiento tenga consecuencias prácticas en ciencias aplicadas y tecnologías aparentemente muy distintas. Una observación astrofísica del telescopio Spitzer hoy puede ser la clave de tu tratamiento médico dentro de veinte años. Por poner sólo un ejemplo, ¿alguien se imagina un hospital moderno sin máquinas de resonancia magnética?

Manifestación de científicos del CERN contra los recortes presupuestarios.

Manifestación de científicos y otro personal del CERN contra los recortes presupuestarios frente a la sede de la institución en Meyrin (cerca de Ginebra). En la pancarta se lee: "Sin presupuesto para investigación: sin futuro para Europa". No puedo estar más de acuerdo.

La física, al estudiar las leyes básicas que rigen el universo, ocupa un lugar central en este proceso ciencia teórica -> ciencia aplicada -> tecnología. Todo avance en física, además de sus derivaciones tecnológicas directas, tiene un efecto inmediato en la química; también en la bioquímica, y por tanto en la medicina; y así en una especie de trama o red del conocimiento que se realimenta a sí misma una y otra vez. De este modo fue como se produjeron todos los grandes avances de la revolución científico-técnica y, sin ello, estamos condenados al estancamiento y la decadencia. Y la ruina. Las sociedades que no son capaces de continuar este proceso se quedan atrás y nadie va a esperarlas.

Las contribuciones anuales de los estados miembros al CERN ascienden a 1.112 millones de francos suizos, unos 823 millones de euros. Esto viene a ser más o menos como el presupuesto de una ciudad del tamaño de Valencia. Sólo en mantener las televisones autonómicas españolas ya nos gastamos mucha más pasta. Los recientes planes de rescate bancario se han tragado el presupuesto entero del CERN durante milenios; aparentemente, es mucho más importante salvar a los causantes de la crisis que apostar por las cosas que pueden contribuir a sacarnos de ella mediante el desarrollo científico-tecnológico.

Para una potencia global como Europa, ochocientos y pico millones de euros anuales es una cifra ridículamente baja hasta el extremo de la mezquindad. Tenemos la institución generadora de ciencia más avanzada del planeta Tierra y andamos haciendo el imbécil con su dinero; ahora, con la excusa de la crisis, los politicastros habituales andan recortándoselo aún más. Esto ya ha ocasionado consecuencias graves y algunas protestas.

Avances como el de esta semana son de importancia extraordinaria y sientan las bases de lo que serán la ciencia y la técnica futuras, como los avances de los científicos anteriores –que también tuvieron que luchar contra la ceguera absurda de los prácticos– constituyeron las bases de la ciencia y la técnica presente. Conforman, así, el antídoto más poderoso contra las eras de oscuridad. Sin ellos, no vamos a ninguna parte y estamos condenados al estancamiento y la recesión; la misma clase de estancamiento y recesión que sufrieron las culturas clásicas e islámicas y ahora empieza a manifestarse de nuevo en otras que no lo son.


Explicación del experimento ALPHA por el Dr. Hangst (en inglés).

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El rayo, ¿sube o baja?

El fenómeno que conocemos comúnmente como «rayo»
no «cae», sino que asciende desde la tierra al cielo
durante el transcurso de un complejo vaivén de inmensa energía.


La sonda Cassini-Huygens registra relámpagos en una nube de la atmósfera superior de Saturno.
Observación de 16 minutos comprimida en este video de 10 segundos;
audio sintético creado con las señales electromagnéticas recibidas por la nave.
(Jet Propulsion Laboratory – NASA)

Es uno de los fenómenos planetarios más notorios, allá donde haya una atmósfera gaseosa con la suficiente densidad. El rayo, ese viejo miedo y asombro de la humanidad desde que pudimos sentir, constituye el prodigio más espectacular de los muchos que se encuentran en la atmósfera terrestre. Y desde siempre, hemos dicho que el rayo cae. Que cae de los cielos sobre nosotros, vamos, como lanzado por algún Zeus. Pero, ¿es esto verdad? ¿Realmente el rayo cae, o hay algo aún más sorprendente esperándonos también detrás de este fleco de la realidad?

De las cosas que caen.

Los seres humanos somos un bicho fuertemente antropocéntrico. Esto tiene sus cosas buenas, como por ejemplo el humanismo. Y sus cosas menos buenas, porque el antropocentrismo no deja de ser una forma colectiva de egocentrismo y etnocentrismo, a menudo con rasgos profundamente narcisistas y chauvinistas. En general, los seres humanos tendemos a pensar que todo lo que hay en el universo está para favorecernos o fastidiarnos a nosotros personalmente, como individuo, como grupo o como especie. La idea de que el universo va a su bola y nosotros no hacemos mucho más que correr de acá para allá tratando de seguir su ritmo o huir de sus peligros nos resulta inquietante, indeseable. La mayoría de la gente prefiere pensar que estamos aquí por algo, que las cosas suceden por alguna razón más allá de sus causas físicas inmediatas. Adoramos suponer que las cosas vienen hacia nosotros. Que si nos parte un rayo, nos partió por algo, y no sólo porque estábamos en medio cuando saltó sin preocuparse por nosotros ni un poquitín. Este es uno de los orígenes de la religión.

Zeus con el águila y el rayo. Museo del Louvre, París.

Zeus con el águila y el rayo en un ánfora griega del 470-460 aC. Museo del Louvre (pieza G204), París.

Además, a falta de información y análisis de buena calidad (y a veces hasta teniéndolo…) las personas tendemos a interpretar la realidad según nuestras preconcepciones, prejuicios, miedos, deseos, creencias y anhelos: nuestra cosmovisión. En la cosmovisión común, todo lo que sube, baja; y si algo sucede en el cielo y afecta a cosas que están en la tierra –nosotros, por ejemplo– entonces es que viene del cielo o cae del cielo. Pensar de otra manera nos resulta confuso e incómodo.

Con estos antecedentes, parece de sentido común decir que el rayo cae del cielo, viene sobre nosotros desde el cielo. Sin embargo, lo cierto es que este fenómeno sucede demasiado deprisa para que nuestros ojos puedan percibir en qué sentido viaja: buena parte de él se desplaza a la velocidad de la luz, y ninguna parte de él va más lento que una tercera parte de la velocidad de la luz. Nuestro cerebro y nuestros ojos reaccionan mucho más despacio. En realidad, cuando pasa el rayo, lo único que llegamos a percibir es un destello instantáneo; por autosugestión, percibimos que cae hacia abajo. Pero en realidad no lo hemos visto caer hacia abajo, porque no somos capaces de tal cosa. Por fortuna, ahí está la ciencia –esa aguafiestas– y los instrumentos tecnológicos que produce para echarnos una manita.

En general, la lógica de todo lo que está en el cielo tiene que caer sólo resulta válida cuando la fuerza preponderante en el fenómeno es la gravedad. Sin embargo, en el rayo y el relámpago la gravedad no juega ningún papel significativo: se trata de un fenómeno esencialmente electromagnético. Un rayo no es otra cosa que una gran chispa saltando entre dos superficies con carga eléctrica: la tierra y la nube. Por tanto, en principio, no tiene ningún sentido de circulación preferente. La mitad inferior del rayo debería subir hacia arriba y la superior, caer hacia abajo hasta encontrarse en algún punto intermedio. Sin embargo, el fenómeno es más complejo e interesante. Veámoslo.

¿Cómo se foman los rayos?

Para responder a esta pregunta correctamente, primero debemos aprender cómo se forma una tormenta eléctrica. Las tormentas eléctricas se originan en un tipo particular de nubes: los cumulonimbos. En el planeta Tierra, la inmensa mayoría parte de los rayos y relámpagos se producen durante estas tormentas; aunque también se observan ocasionalmente en las nubes de ceniza causadas por los volcanes o por grandes incendios (como los forestales) y en ciertas tormentas de arena. Todos ellos son sitios donde el rozamiento entre una miríada de partículas en suspensión puede generar carga eléctrica y electricidad estática. En el planeta Tierra, más del 95% de los rayos y relámpagos suceden en los cumulonimbos; el 20% alcanzan el suelo y el 80% circulan de nube a nube. En todo momento, hay unas mil ochocientas tormentas eléctricas sucediendo a la vez, lo que totaliza unos dieciséis millones de ellas al año.

Un cumulonimbo.

Un cumulonimbo.

Los cumulonimbos son nubes convectivas densas y pesadas, con notable desarrollo vertical, lo que les da la forma de una montaña o de grandes torres en el cielo. Su parte superior tiende a ser plana (lo que en ocasiones les hace parecer un yunque) y a menudo suave, aunque también puede aparecer como fibrosa o estriada. Bajo la base, muy oscura, aparecen nubes desiguales. Los cumulonimbos traen lluvia y granizadas fuertes y breves, a veces en forma de virga. Si hay granizo, truenos o relámpagos, estamos sin duda ante una de estas nubes. Aunque no todos los cumulonimbos traen tormentas eléctricas. Con frecuencia, se limitan a provocar precipitaciones intensas pero de corta duración. Cuando ocasionan tormentas eléctricas, éstas suelen tener una duración máxima de media hora; si dura más, es que hay varios.

Dentro de estas nubes se forman un montón de gotitas de agua, que salen propulsadas hacia arriba debido a sus corrientes ascendentes internas (updraught). Así se enfrían con un mecanismo de sobrefusión; unas se van acumulando en forma de granizo blando y otras permanecen como minúsculas partículas heladas. Cuando el granizo es lo bastante grande y pesado, cae a través de la nube y desciende chocando y rozando contra las partículas pequeñas que viajan hacia arriba. Durante estas colisiones, algunos electrones de las partículas resultan capturados por el granizo, con lo que éste adquiere una carga negativa (mientras que las partículas que siguen subiendo a lo alto, desprovistas de esos electrones, presentan carga positiva). Así se van generando acumulaciones de carga eléctrica estática en la parte inferior y superior del cumulonimbo.

Una parte del granizo descendente con carga negativa se ha vuelo ahora tan pesado que las corrientes ascendentes no pueden propulsarlo de nuevo hacia arriba, con lo que queda durante un tiempo entre dos aguas, sin llegar a caer aún a tierra pero concentrado en las regiones inferiores de la nube. Así, la base de la nube se va volviendo fuertemente electronegativa. Como consecuencia, el trozo de tierra que hay debajo se va haciendo fuertemente electropositivo por inducción electrostática (explicado un poco a lo bruto: los electrones presentes en la parte inferior de la nube repelen a los que se encuentran sobre la superficie terrestre y los separan de sus átomos, dejando a éstos con carga positiva) Conforme el fenómeno se desarrolla, dos intensísimas cargas eléctricas se van acumulando –una negativa en la base de la nube y la otra positiva en la superficie terrestre– separadas por una capa de aire. El aire es un poderoso aislante eléctrico, lo que impide que estas cargas se reequilibren poco a poco. Así se va formando un gigantesco condensador natural, que a cada segundo aumenta más y más su carga.

En un determinado momento, esta carga es ya insoportablemente alta y se inicia un proceso de reequilibrio. El mecanismo exacto que lo dispara sigue siendo objeto de disputa, pero lo que ocurre a continuación es bien conocido. Básicamente se trata de un proceso en tres etapas, que crea canales conductores en el aire aislante. En cuanto estos canales se establezcan, una violenta descarga casi-instantánea circulará por uno de ellos para igualar las cargas entre la base de la nube y la superficie de la Tierra, con gran energía en forma de luz y calor: el rayo.

La formación de los canales conductores.

Formación del rayo.

Formación del rayo.

La formación de estos canales conductores en el aire aislante constituyen una especie de «pre-rayo» o «relámpago preliminar». El proceso comienza con la generación de los llamados líderes escalonados (stepped leaders), de energía relativamente baja (decenas a cientos de amperios) y luz tenue, que a veces llega a ser percibida por el ojo pero más a menudo resulta invisible por completo. Estos líderes surgen cuando la atracción entre la base electronegativa de la nube y la superficie terrestre electropositiva supera un cierto umbral. Entonces, los electrones excedentes de la base nubosa comienzan a salir despedidos hacia la superficie a notable velocidad: unos 120 kilómetros por segundo.

Estos líderes no pueden viajar mucho: apenas unos cincuenta metros, con algunos llegando al centenar. Pero como siguen bajando electrones desde la nube en gran cantidad, se supera de nuevo el umbral y los líderes dan otro salto de cincuenta o cien metros, y así sucesivamente, extendiéndose en diversas direcciones como el delta de un río. Cada uno de estos saltos o escalones dura unas cincuenta millonésimas de segundo. Por donde pasan, van dejando «canales» o «riachuelos» de aire fuertemente ionizado, que se vuelve conductor de la electricidad. En unas veinte milésimas de segundo se están acercando a la superficie, con unos cinco culombios de carga.

Cuando uno de estos líderes escalonados se aproxima al suelo, provoca chispas positivas ascendentes que parten de la tierra y «salen a interceptarlo». Estas chispas se llaman gallardetes positivos (positive streamers) y surgen típicamente de los objetos conectados al suelo más próximos a la nube: la parte superior de los árboles, los edificios, las colinas o lo que sea. Cuando los gallardetes positivos entran en contacto con los líderes escalonados, la conexión eléctrica entre la nube y la tierra queda establecida a través de estos «canales», «riachuelos» o «cables» de aire fuertemente ionizado y por tanto conductor. Necesariamente, uno de estos caminos tendrá una resistencia más baja que los demás.

Entonces, los electrones situados en la región inferior del canal se precipitan violentamente hacia el suelo velocidades próximas a las de la luz. Esto provoca una intensísima corriente eléctrica en dirección a la superficie, ocasionando un potente destello inicial en las cercanías del suelo, con fuerte emisión de calor. El rayo acaba de comenzar.


Un rayo filmado a 7.200 FPS y reproducido a cámara lenta. Se observa perfectamente el desarrollo
de los líderes escalonados, estableciendo la conexión entre la nube y la tierra,
seguido por el intenso destello del rayo principal. (Tom A. Warner / ZT Research)

Desarrollo del rayo.

Desarrollo del rayo. (Clic para ampliar)

El rayo.

Sin embargo, esta «apertura de canal» no se traduce en una avalancha instantánea de electrones circulando desde la nube hacia el suelo. Nos lo explica el Dr. Martin A. Uman, uno de los mayores expertos mundiales en fenómenos relacionados con el rayo:

Cuando el líder queda conectado al suelo, las cargas negativas en la parte inferior del canal se mueven violentamente hacia el suelo, haciendo que fluyan hacia éste grandes corrientes y provocando que el canal se vuelva muy luminoso en esta zona.

Pero dado que las señales eléctricas (o cualquier otra señal, para el caso) tienen una velocidad máxima de 300.000 km/s –la velocidad de la luz–, el canal líder situado por encima del suelo no tiene ninguna maera de saber, durante un breve periodo de tiempo, que el líder de abajo ha tocado el suelo y se ha vuelto muy luminoso.

Así, la luminosidad del canal –el golpe de retorno (return stroke)– se propaga continuamente hacia arriba del canal y por los ramales laterales a una velocidad de entre 30.000 y 100.000 km/s. El viaje desde el suelo hasta la nube dura unas cien millonésimas de segundo.

Conforme la luminosidad del golpe de retorno se mueve hacia arriba, con ella asciende también la región de alta corriente.

–Martin A. Uman, «All about lightning», Dover Publications, Nueva York, 1986.

Vamos a explicarlo de otra manera, por si se no ha entendido bien. Lógicamente, en un rayo común los electones van a viajar desde la base nubosa (electronegativa, con electrones excedentes) hacia el suelo (electropositivo, con déficit de electrones); esto es, hacia abajo. Pero el «fenómeno rayo», lo que los humanos entendemos habitualmente como «un rayo» –la luz, el calor, la generación del trueno, técnicamente el golpe de retorno–, se forma hacia arriba. Por esto decimos que el rayo «asciende» en vez de «caer».

La razón radica en que la velocidad de la luz en el vacío es el límite absoluto de rapidez para todo ente con masa o información. La información de que el canal conductivo ha quedado establecido no puede viajar hacia la base de la nube más deprisa de lo que van cayendo los electrones situados en las regiones inferiores del canal hacia abajo, puesto que éstos ya lo hacen a la velocidad de la luz. En la práctica, hacen falta unas cien millonésimas de segundo para que la base de la nube «se entere» de que el canal con el suelo ha quedado establecido y empiece a lanzar el resto de los electrones hacia abajo. Durante ese periodo el «golpe de retorno» sube hacia arriba y, con él, la región de alta corriente.

Los rayos más potentes pueden transportar corrientes de hasta 120.000 amperios y 350 culombios, aunque normalmente suelen andar por los 30.000 amperios y quince culombios. No es raro que produzcan temperaturas de hasta 30.000 ºC; este calor, al transferirse al aire, ocasiona las ondas de choque que forman el trueno (que, lógicamente, también se crea de abajo arriba). Surgen señales de radiofrecuencia de gran longitud de onda. En los últimos años se ha descubierto que los rayos generan también notables emisiones de radiación ionizante, los destellos terrestres de rayos gamma (TGF).

Completado el golpe de retorno primario, pueden producirse otros secundarios; entonces, el rayo parece «centellear». Este fenómeno se produce de manera análoga al primero: surgen de la base nubosa los llamados líderes dardo (dart leaders) que recorren de nuevo el canal en dirección al suelo, seguidos por los nuevos golpes de retorno ascendentes. Al finalizar el fenómeno, la diferencia de carga entre la base de la nube y el suelo ha desaparecido.

Rayos positivos.

Distintos tipos de descargas eléctricas atmosféricas, en función de la altitud.

Distintos tipos de descargas eléctricas atmosféricas, en función de la altitud. (Clic para ampliar)

Existen diversos tipos de rayos, desde el electronegativo troposférico común que acabamos de ver hasta rarezas como los duendes rojos que se dan en las capas superiores de la atmósfera o los posibles rayos globulares que habrían causado el espanto más de una vez.

Hay uno en el que merece la pena detenerse de modo especial: el rayo positivo. Como hemos visto, el rayo común está ocasionado por la presencia de una fuerte carga electronegativa en la parte inferior de los cumulonimbos. Pero, ¿qué pasa con la carga electropositiva igualmente intensa que ha ido a parar a su parte superior? Pues que también puede formar rayos, muchos menos (apenas el 5% de los rayos son positivos) pero aún más potentes: hasta ¡300.000 amperios y mil millones de voltios, diez veces más que un electronegativo común! Debido a su elevada potencia y alcance, suelen causar habitualmente importantes incendios forestales, daños a las redes eléctricas y se cree que en alguna ocasión, catástrofes aéreas.

El rayo positivo resulta especialmente inquietante porque parece «salir de la nada». Ya hemos dicho que los líderes escalonados son prácticamente invisibles al ojo, sobre todo durante el día. Su problema es que, al originarse en la parte superior de la nube, los líderes recorren una larga distancia en rumbo general horizontal antes de «inclinarse» hacia el suelo. Así, puede surgir un rayo de enorme potencia en un lugar donde aparentemente no hay nubes, ni lluvia ni nada. Los rayos positivos emiten, además de los efectos habituales, cantidades importantes de ondas de radio de muy baja frecuencia: VLF y ELF.

El pararrayos.

La tendencia de los rayos a conectarse con el punto más alto de un terreno determinado fue observada desde tiempos antiguos. Solía ocurrir con frecuencia que este punto más alto fuera la torre de un templo –el campanario de una iglesia, el minarete de una mezquita, la punta de una estupa–, lo que generaba ciertas contradicciones sobre la supuesta protección divina para aquellos que se acogían a sagrado durante una tormenta eléctrica. Si los edificios de la antigüedad ardían continuamente como teas debido a sus técnicas constructivas en madera y paja, los templos iluminaban al pueblo cada dos por tres por efecto del rayo.

Al parecer, algunas estupas budistas de Sri Lanka ya incorporaban algo parecido a un primitivo pararrayos. La torre inclinada de Nevyansk, en Rusia, fue construida entre 1725 y 1732 e incluye una estructura aparentemente concebida para actuar como pararrayos: una esfera con puntas en lo alto directamente conectada a una trama metálica que se hunde en los cimientos. En Occidente, la invención de este dispositivo se atribuye generalmente al estadounidense Ben Franklin, en 1749.

La torre inclinada de Nevyansk (Rusia), con lo que parece ser un primitivo pararrayos.

La torre inclinada de Nevyansk (Rusia), con lo que parece ser un primitivo pararrayos compuesto por una esfera con púas superior y una conexión metálica estructural al subsuelo. De ser así, precedería en 20 años al pararrayos de Franklin.

La función de un pararrayos es canalizar la corriente del rayo a través de un conductor seguro, impidiendo así que atraviese destructivamente la estructura protegida. Por tanto, consiste en un mástil conductor situado en el punto más alto conectado a un cable que se hunde profundamente en el suelo. Debido al comportamiento parcialmente caótico del rayo, la eficacia del pararrayos resulta variable; las instalaciones críticas suelen contar con varios para asegurar su protección. En las torres eléctricas, hay un cable superior desempeñando esta misma función; las centrales y estaciones de transformación cuentan con sofisticadas defensas contra este fenómeno natural. Los barcos utilizan un sistema muy parecido, con el conductor puesto en contacto con el agua.

Más intrigante resulta la protección contra el rayo en los aviones, que no mantienen contacto con el suelo. En general, por esta misma razón, las aeronaves no «atraen» al rayo (actúan un poco como «un pájaro posado sobre el cable de alta tensión»); aunque, en ocasiones, las cargas estáticas propias de cualquier aparato que avanza por el aire provocan el efecto inverso. Además, siempre puede ocurrir que un rayo conectando con el suelo atraviese casualmente a una aeronave que se encuentre en su camino, especialmente durante las operaciones a baja altitud o debido a los rayos positivos ya mencionados.

Los efectos del rayo sobre las aeronaves son generalmente menores. Por un lado, el fuselaje metálico exterior actúa como jaula de Faraday, lo que impide el paso al interior de buena parte de la descarga (los aviones modernos con gran cantidad de composites son intrínsecamente más débiles contra el rayo, pero llevan mejores protecciones). Sin embargo, siempre es posible que algo llegue a penetrar, con la posibilidad de dañar sistemas críticos. En la práctica, muy pocas veces un avión ha sido derribado por el rayo sin duda de ninguna clase. Desde 1945 hasta aquí, sólo constan dieciséis pérdidas atribuidas al rayo en todo el mundo… y es cosa sabida que esta atribución se realiza a veces como cajón desastre cuando no se puede identificar otra causa.

La más notoria, y una de las pocas difícilmente discutibles, es el accidente del vuelo 214 de Pan American el 8 de diciembre de 1963: un Boeing 707. Mientras permanecía en el patrón de espera para aterrizar en Filadelfia (EEUU), durante una fuerte tormenta eléctrica, un rayo causó la explosión de los gases combustibles en el depósito del extremo del ala de babor. El ala resultó destruida y la aeronave se precipitó a tierra, muriendo sus 81 ocupantes. Cosa parecida le pasó en Perú al LANSA 508, un Lockheed Electra que se estrelló de manera parecida en 1971, con una única superviviente entre sus 92 ocupantes. Uno que nos afectó directamente fue la pérdida de un carguero Boeing 747 de la Fuerza Aérea del Irán del Shá, en Madrid, el 9 de mayo de 1976 (17 bajas). Mucho más incierto resulta el caso del Air France 117 (1962), con 113 víctimas, o el TWA 871 en Italia (1959). El resto son aeronaves de porte menor y/o casos más que dudosos. Fabricantes notables como Airbus, la antigua McDonell Douglas, Tupolev, Antonov o Ilyushin, con decenas de millares de aviones volando durante décadas por los lugares más insólitos en toda clase de condiciones meteorológicas, no  han sufrido nunca ninguna pérdida ocasionada por el rayo.

Como puede verse, el riesgo mayor en estos casos consiste en la detonación de los gases en algún depósito de combustible, seguido por la sobrecarga de los equipos eléctricos y electrónicos de a bordo (especialmente los de navegación). Para evitarlo, las aeronaves modernas incorporan tramas o mallas de conductores, conectadas a los descargadores de estática, que en caso de contacto con el rayo actúan como canales de derivación de la energía hasta disiparla a través de estos dispositivos. También llevan barreras dieléctricas, concebidas para impedir que el rayo acceda a lugares críticos, así como sistemas eléctricos y electrónicos específicamente diseñados para derivar los pulsos de corriente generados por el rayo sin que dañen los componentes. El resultado es que, en los últimos treinta años, no se ha perdido ningún avión de gran porte debido a este motivo.

Rayos de otros mundos.

Relámpagos en Júpiter.

Relámpagos en Júpiter. Imagen obtenida por la nave espacial Galileo. (NASA)

Además de la Tierra, se han registrado rayos en Marte, Júpiter, Saturno y Urano. Probablemente también en Titán y Neptuno, y se discuten en Venus. En general, como dijimos al principio, todo lo que tiene una atmósfera de densidad suficiente parece producir tormentas eléctricas. Como hemos visto, estos fenómenos electromagnéticos emiten muchas cosas además de luz y calor: especialmente, radiofrecuencia y radiación gamma con niveles de energía superiores a 20 MeV (y posiblemente también rayos X). Esto último resulta muy interesante porque esta radiación puede viajar grandes distancias por el cosmos, en lo que constituye la base de la astronomía de rayos gamma. Aunque nuestros instrumentos aún no son lo bastante sensibles, esto abre la posibilidad de detectar y analizar atmósferas planetarias remotas en el futuro.

La emisión en radio de baja frecuencia causada por las tormentas eléctricas resulta todavía más intrigante. Estas emisiones son breves pero extremadamente poderosas: un rayo terrestre puede llegar a emitir con una potencia de 100.000 millones de vatios. Esto es perfectamente detectable desde las proximidades de la Tierra (por ejemplo, desde la cara oculta de la Luna) incluso con radiotelescopios sencillos. Una señal de un megavatio procedente de Epsilon Eridani, a 11 años luz de aquí, se puede detectar sin problemas con un plato de doscientos metros de diámetro: menos que Arecibo. Y hablamos de emisiones cien mil veces más potentes.

Es más chulo aún. Resulta que las características de la atmósfera donde se genera el rayo determinan las características de la señal. Las tormentas eléctricas de las atmósferas ricas en oxígeno, como la terrestre, emiten con un pico característico entre 5 y 7 kHz. Por tanto, aunque los desafíos técnicos y económicos son relevantes, no resulta imposible concebir un radiotelescopio especializado en la detección de atmósferas extrasolares del tipo de la terrestre mediante las emisiones de radio producidas por sus tormentas eléctricas. El principal problema provendría de las interferencias causadas por nuestros propios rayos. Por ese motivo, este radiotelescopio estaría mejor situado en el espacio y a ser posible «blindado» frente a la Tierra (¿dijimos la cara oculta de la Luna?). Por su parte, un telescopio en órbita solar a 7,4 horas-luz de distancia podría utilizar al Sol como lente gravitacional para enfocar las ondas de radio. Hay un estudio bastante interesante sobre todo esto aquí.

Durante milenios, el rayo fue objeto de temor y veneración supersticiosa. Quizás en un tiempo no tan lejano, de la mano de la ciencia, sirva para indicarnos los rumbos futuros de la humanidad: el mundo, aún ignoto, que nos espera para convertirse en nuestro segundo hogar. Si es que no está ocupado ya, lo cual sería más interesante aún.

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¡Qué malo!Pschá.No está mal.Es bueno.¡¡¡Magnífico!!! (73 votos, media: 4,77 de 5)
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