Temperatura

La temperatura del Universo (II)

Vamos a seguir con esta segunda entrega recorriendo las temperatura del Universo, desde lo más fío, a lo más caliente. Nos habíamos quedado en la primera entrega con las enanas rojas, estrellas de tipo M, con temperaturas de alrededor de 4000K

5.000K-10.000K

En este rango encontramos un gran número de estrellas. Las de tipo K, tienen masas menores que las del Sol, y unas temperaturas superficiales máximas de 5.300K, su color es naranja rojizo. Las estrellas de tipo G, como el Sol, tienen unas temperaturas superficiales de entre 5.300 y 6.000K (la temperatura de la superficie del Sol es de 5.778K). Las estrellas de tipo F, como la estrella Polar, tienen masas algo mayores que las del Sol y temperaturas superficiales de entre 6.000 y 7.700K y las tipo A, que pueden triplicar la masa del Sol, tienen temperaturas de entre 7.300 y 10.000K. Estas estrellas pueden llegar a ser 80 veces más luminosas que el Sol. Sirio, Altair o Vega son estrellas de tipo A.

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Clasificación espectral de estrellas Morgan-Keenan

10.000K-30.000K

¿Os acordáis que en la entrega anterior os hablábamos de las regiones HI, que eran nubes de gas con temperaturas muy bajas? Hay otro tipo de regiones las HII, que son nubes de gas a muy alta temperatura, de entre 10.000 y 20.000K. ¿Cómo puede tener una nube de gas tanta temperatura? Bueno puede ser porque está cerca de estrellas muy brillantes (o incluso puede contenerlas) que hacen que la nube se caliente, o por ejemplo puede tratarse del resultado de una explosión de supernova. Sus tamaños pueden ser inmensos, de varios cientos de años luz (es decir, la luz tarda en atravesarla cientos de años). Estas regiones de gas tan caliente es donde se forman las nuevas estrellas, así que son consideradas como guarderías estelares.

Se conoce su existencia desde hace cientos de años, ya que como son tan brillantes y grandes, con un telescopio sencillo, se pueden observar. La primera región HII observada fue la Nebulosa de Orión en 1610.

Diferentes regiones HII

Como veis hay nebulosas de las más diversas formas. Muchas parecen desordenadas y son simples regiones de nubes de gas, pero hay algunas que presentan formas como de corona circular, o con aspecto muy simétrico, son por ejemplo las nebulosas planetarias. Se producen cuando una estrella al llegar a su fase final, empieza a expulsar prácticamente todo su material al espacio quedando en su centro una minúscula estrella muerta que en muchos casos apenas si emite luz. Vemos que aunque se llaman planetarias, no tiene nada que ver con los planetas. Esto es porque Herschel cuando las descubrió en 1784 pensó que lo que había en su centro, a no brillar, era un planeta. Las nebulosas planetarias pueden tener aun temperaturas más altas de hasta 35.000K.

Las estrellas tipo B, tienen temperaturas superficiales de entre los 10.000 y 30.000K. Se trata de estrellas con hasta 20 veces la masa del Sol que pueden ser 50.000 veces más brillantes y por esto se ven desde distancias enormes. Estrellas famosas como Rigel, Bellatrix, Alnilam, Algol A o Spica son estrellas de tipo B.

B

Simulación del tamaño de una estrella de Rigel en comparación con el Sol.

30.000K- 50.000K

Las estrellas de tipo O, son las estrellas normales más calientes, con temperaturas superficiales de entre 30.000 y 50.000K. Pueden tener masas 150 veces el del Sol, y ser un millón de veces más luminosas, pero son muy escasas. Solo el 0,00003% de las estrellas son de tipo O.

OTYPE

El objeto brillante de la parte inferior, es Alnitak un sistema triple con dos estrellas de tipo O y una de tipo B. La nebulosa cercana es NGC2024, conocida como la Nebulosa de la Llama. Imagen tomada por el telescopio 2MASS

En este rango de temperaturas hay también un tipo de estrellas las Wolf-Rayet (WR), con masas de entre 20 y 30 veces la del Sol, que se caracterizan por estar continuamente arrojando material al espacio. A menudo suelen formar parte de sistemas binarios en los cuales la otra estrella está absorbiendo (acretando) todo este material. E incluso puede ser un agujero negro el que chupa toda esta masa.

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Wolf-Rayet, WR104. Se puede apreciar como su estrella compañera acreta la masa desprendida. Imagen obtenida por el telescopio Hubble

50.000K y más allá.

Entonces las estrellas más calientes tienen 50.000K ¿no? Bueno… no, hay fases de la evolución de una estrella en las que puede tener temperaturas muy superiores. Cuando una estrella muere, puede hacerlo de varias maneras dejando como resultado diferentes tipos de remanentes, esto lo veremos con detalle más adelante. Uno de estos restos son las enanas blancas que pueden tener temperaturas de hasta 200.000K, aunque luego esta vaya descendiendo hasta menos de 4.000K. Este tipo de estrellas es el que está en el centro de las nebulosas planetarias que hemos descrito antes. El Sol cuando muera se convertirá en una enana blanca.

Otro tipo de remanente son las estrellas de neutrones, se trata de un objeto peculiar que procede de una estrella supermasiva que ha explotado en forma de supernova. Son objetos con una densidad impresionante, tienen masas que pueden llegar a ser el doble de la del Sol pero comprimidas hasta tener unos 12km de radio y alcanzan unas temperaturas de 3•109K. ¡Tres mil millones de Kelvins!

Algunas estrellas de neutrones giran muy rápidamente hasta varios cientos de veces por segundo, emitiendo luz como si fuera un faro en el espacio girando a toda velocidad. Son los púlsares.

Chandra-crab

Púlsar de la Nebulosa del Cangrejo. Esta imagen combina imágenes del telescopio HST (rojo), e imágenes en rayos X obtenidas por el telescopio Chandra (azul).

Además os habréis fijado que estamos mencionando únicamente la temperatura superficial de la estrella. Como las estrellas producen su energía en forma de reacciones nucleares en su núcleo, conforme nos vamos adentrando en el interior de una estrella la temperatura aumenta. El núcleo del Sol se encuentra a unos 1,36•107K. Es complicado estudiar el interior de las estrellas pero se estima que la temperatura del núcleo de las estrellas a lo largo de su evolución puede superar los 6•109K.

En 2011, en el acelerador de partículas del CERN, en Suiza, investigadores que están intentando recrear el origen del Universo consiguieron obtener una temperatura de 5•1012K. Toda una hazaña.

Pero, ¿hay una temperatura máxima posible? Existe un valor teórico, la temperatura de Plank que sería la temperatura del Universo durante el primer instante del Big Bang. Es decir, es el valor correspondiente a toda la energía del Universo. Como no podemos utilizar más energía que la que hay en el Universo, ya que esta ni se crea ni se destruye, no podremos obtener nunca una temperatura superior. Esta temperatura teórica, basada en observaciones cosmológicas es de 1032K.

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La temperatura del Universo (I)

A menudo nos preguntan cuál es la temperatura más alta o más baja del Universo. Con esta entrada, dividida en dos entregas, trataremos de explicarlo.

En ciencia, como muchos ya sabéis, utilizamos la escala de temperatura Kelvin, donde la temperatura mínima corresponde al cero absoluto. En física identificamos la temperatura con la velocidad con las que las partículas se mueven, así el cero absoluto correspondería a un estado en el que las partículas no tienen ningún movimiento. En un gas las partículas se mueven libremente, con mucha velocidad, por eso a altas temperaturas la materia está en estado gaseoso. El un líquido las partículas tienen menos libertad, y por tanto menos temperatura, y en estado sólido las partículas se limitan a vibrar en torno a una posición. Cuanto menor es la temperatura, menos vibrarán hasta que en el cero absoluto estarían completamente quietas.

Velocidades de los sólidos, líquidos y gases.

Movimiento de los sólidos, líquidos y gases.

Kelvin, en 1848, dedujo teóricamente que la temperatura de este cero absoluto debía ser -273,15ºC, y dicho mínimo sido corroborado posteriormente en docenas de experimentos.

Por otro lado, el Tercer principio de la termodinámica establecido por Nernst en 1912, nos dice que el cero absoluto, estado en el que las partículas no tendrían ningún movimiento, es inalcanzable. Por tanto empezaremos nuestro recorrido desde lo más frio a lo más caliente desde este cero absoluto.

 0K-10K

Como ya hemos dicho el cero absoluto es inalcanzable, pero ¿cuál es la mínima temperatura alcanzada? En el Universo, la temperatura más baja, la de las regiones del espacio menos densas es de 2,73K, sin embargo nosotros en la Tierra hemos podido realizar experimentos para conseguir temperaturas más bajas. En este momento la temperatura más baja alcanzada ha sido de 5·10-5K, obtenida en laboratorios del MIT (Massachusetts Institute of Technology).

CMB

Las medidas del CMB (fondo cósmico de microondas), nos indican que la temperatura del Universo es de 2,73K.

10k-100K

Entre las estrellas y galaxias, en el medio interestelar, hay regiones de nubes de hidrógeno más o menos densas. El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo suponiendo aproximadamente un 75% de toda la materia, así que, aunque probablemente haya otros elementos en esas nubes, las llamamos nubes de hidrógeno. Así tenemos las regiones de hidrógeno molecular, con unas temperaturas típicas de 10K a 20K y las regiones de hidrógeno atómico o HI con unas temperaturas de entre 50K y 100K. Son regiones de muy baja densidad pero inmensas, que pueden llegar a tener una extensión de 150 años luz. Es decir un rayo de luz tardaría 150 años en recorrer la nube entera.

Nube molecular de Taurus. Se caracterizan por su color oscuro.

Nube molecular de Taurus. Se caracterizan por su color oscuro ya que por su baja temperatura, no emiten luz.

100K-1000K

Como sabéis la temperatura media de la Tierra es de 287,2K (14,05 °C). La temperatura más baja registrada en el planeta fue en la Antártida el 10 de agosto de 2010, de 179,95K  (-93,2ºC) y la más alta registrada fue en 1913 en Death Valley en California de 329,85K (56,7ºC). Sin embargo vosotros todos los días calentáis el agua o la leche a temperaturas más altas. La temperatura a la que hierve el agua es 373,15K. La temperatura a la que se quema el papel es de 506K y la temperatura a la que trabajan en las fundiciones de acero es de unos 1.700K.

death Valley, California. El lugar más caliente de la superficie terrestre.

Death Valley, California. El lugar más caliente de la superficie terrestre, 329,85K (56,7ºC).

Pero veamos las temperaturas de las superficies de otros planetas: Mercurio, el planeta más próximo al Sol tiene una temperatura superficial que oscila entre los 100K por la noche y los 650K por el día. Venus, al tener una atmósfera delgada, puede permitir que su temperatura no descienda tanto durante las noches, quedándose en 228K de mínima y 773K de máxima. Conforme nos vamos alejando del Sol las temperaturas de las superficies de los planetas va disminuyendo, así Marte oscila entre los 186 y los 266K, Júpiter entre los 110K y los 198K, y ya Urano y Neptuno tendrían temperaturas superficiales de alrededor de 50K

Mars Rover

Imagen de la superficie de Marte tomada por el Mars Exploration Rover. Marte tiene una temperatura que oscila entre los 186 y los 266K (entre -87,15ºC y -7,15ºC).

1000K-5000K

El interior de la Tierra está mucho más caliente que la superficie. La lava que sale de los volcanes, por ejemplo, se encuentra a una temperatura de entre 950 y 1.500K. Pero si profundizamos en el interior la temperatura puede llegar a los 7.000K. El diamante se funde a 3.823K, es decir a esas temperaturas todas las rocas están ya derretidas.

Rio de lava en Hawaii.

Río de lava en Hawaii.

Alejémonos ya de la Tierra y busquemos en el Universo. Las enanas marrones son objetos subestelares, es decir no han tenido la suficiente masa como para ser capaces de iniciar la fusión del hidrógeno en su interior, y por tanto no han conseguido convertirse en estrellas. Estos objetos tienen unas temperaturas superficiales características de entre 600K y 2.000K.

Gilese 229B, es una de las enanas marrones más frías que se conocen, con una temperatura de unos 600K.

Gilese 229B (pequeña), es una de las enanas marrones más frías que se conocen, con una temperatura de unos 600K.

Las estrellas de carbono por otro lado, son una fase tardía de estrellas de tamaño medio. Su principal característica es la de tener más carbono que oxigeno en su atmósfera y esto hace que sea más fría de lo habitual, con temperaturas desde los 3.100 hasta los 5.000K.

Estrella de carbono RS Cygni.

Estrella de carbono RS Cygni.

Las enanas rojas son estrellas frías, de alrededor de 4.000k, con masas bastante menores que las del Sol. Son muy poco luminosas (10 veces menos luminosas que el Sol), y aunque son muy abundantes se necesitan buenos telescopios para observarlas. Se trata de estrellas de tipo M o K tardío. La clasificación espectral de estrellas, que ya explicaremos más adelante con detalle, clasifica las estrellas como tipo O,B,A,N,G,K o M siendo las tipo O las más calientes y las tipo M las más frías.

Kepler 2 suns1

Simulación artística de los tamaños que tendrían un planeta gigante como Júpiter (en oscuro), con una enana roja y el Sol.

La superficie del Sol tiene una temperatura de 5.778 K, aunque en su interior puede llegar a los 10 millones de Kelvin. Las temperaturas de las estrellas las trataremos en la segunda entrega de La temperatura del Universo.