Una estrella dentro de un frasco: el misterioso fenómeno donde el sonido crea luz y calor extremo

Hay fenómenos que no necesitan grandes escenarios para ser extraordinarios. No requieren telescopios apuntando al cielo ni aceleradores de partículas del tamaño de una ciudad. A veces, un frasco con agua, un generador de sonido y una burbuja diminuta pueden imitar —breve, fugaz— a una estrella.

Es uno de esos fenómenos que parecen ciencia ficción, pero ocurren en un frasco común con agua. Bajo condiciones muy específicas, una onda sonora intensa puede hacer que una burbuja microscópica emita un destello de luz… y que, por una fracción ínfima de segundo, alcance temperaturas comparables a las de la superficie del Sol.

Y no, no es metáfora, ni exagero. Se estima que miles, incluso decenas de miles, de grados Kelvin, son generados en un volumen menor al de un grano de polvo. Pero todo ocurre tan rápido que lo que percibimos es apenas un parpadeo. Se llama sonoluminiscencia, y es uno de los ejemplos más desconcertantes de cómo la energía se concentra de forma extrema en escalas microscópicas.

Creo que hay algo profundamente hermoso en pensar que el sonido pueda convertirse en luz. Que algo invisible, repetitivo, cotidiano, sea capaz de concentrar tanta energía en un punto tan pequeño. La sonoluminiscencia rompe esa intuición cómoda donde cada forma de energía parece tener su lugar y su escala muy bien definidas.

En tiempos donde asociamos la luz extrema con explosiones cósmicas o reactores nucleares, la sonoluminiscencia nos recuerda que el mundo es increíblemente fascinante a escalas aún menores. Lo extraordinario no siempre necesita distancia astronómica; a veces vibra imperceptible y fugaz, dentro de un frasco.

Cuando el sonido enciende la luz

El punto de partida es el ultrasonido. El ultrasonido es sonido, pero de una frecuencia tan alta que el oído humano no puede percibirlo. El oído humano escucha en frecuencias de aproximadamente 20 y 20,000 hertz (Hz). Todo lo que vibra por encima de ese límite es ultrasonido. Es la misma vibración mecánica, solo que mucho más rápida.

Cuando se aplica un campo acústico en estas altas frecuencias a un líquido, las ondas sonoras provocan cambios en la presión del líquido, generando regiones alternadas de alta y baja presión. Así, el medio se comprime y se expande miles o millones de veces por segundo.

En las fases de baja presión pueden formarse burbujas microscópicas de gas (cavidades). Pero en ese entorno, en lugar de subir a la superficie, como lo haría una burbuja común, queda atrapada en equilibrio por el propio campo acústico. El sonido la mantiene suspendida dentro del líquido, mientras la obliga a oscilar a su ritmo.

Este fenómeno se llama cavitación acústica, y las oscilaciones de presión que crean las burbujas también hacen que estas se expandan y se contraigan. Estas cavidades microscópicas se llenan casi de inmediato con gases disueltos y, en algunos casos, con vapor del propio líquido que las rodea.

Durante las fases de expansión inducidas por la onda sonora, los gases se difunden hacia el interior de la burbuja; cuando la presión vuelve a aumentar, la burbuja se contrae y parte de ese contenido puede salir de nuevo. Es un intercambio constante, rítmico, gobernado por la vibración del sonido.

Si la variación de presión provocada por el sonido es lo suficientemente intensa, cualquier burbuja presente en el líquido tenderá a crecer. Y la burbuja se expandirá y comprimirá hasta que la tensión superficial del líquido ya no pueda sostenerla. En ese punto, el equilibrio se rompe y la burbuja colapsa, cerrando el ciclo de cavitación que hace posible la sonoluminiscencia.

El colapso: un instante brutal

Llegado el instante en que la burbuja ya no puede responder de forma suave al pulso del sonido, esta colapsa casi esféricamente. En una fase de compresión intensa, el gas atrapado en su interior se comprime de manera casi adiabática: el calor no puede escapar. Por lo que toda la energía se concentra en un volumen diminuto y en un lapso del orden de picosegundos (unos 10⁻¹² segundos).

Las consecuencias son extremas:

• El radio de la burbuja se reduce drásticamente.

• La presión interna se dispara.

• La temperatura del gas dentro de la burbuja alcanza valores estimados entre unos 4,700 y casi 20,000 °C (la temperatura de la superficie del Sol es aproximadamente 5,500 °C).

La burbuja implosiona, generando una onda de choque localizada y produciendo un destello breve, azulado. Pero...¿de dónde sale esa luz?

Una estrella dentro de un frasco

La clave está en el gas comprimido dentro de la burbuja. Bajo esas condiciones extremas, la materia deja de comportarse de forma tranquila. Los átomos se desordenan y pierden electrones (se ionizan) por un instante y, al volver a acomodarse, liberan energía. Esa energía se libera como fotones, que es lo que percibimos como luz.

En ese entorno fugaz, denso y muy caliente, también intervienen otros procesos: partículas cargadas que se frenan bruscamente, moléculas que se excitan y se relajan casi al instante. Y todos ellos liberan energía, conformando una lluvia brevísima de fotones liberados durante el colapso de la burbuja.

Mientras, en el frasco, el agua permanece a temperatura ambiente. La luz nace del colapso acústico mismo. Es sonido transformado en radiación, formando estrellas dentro de un frasco.

Misterios de una estrella diminuta

Pese a décadas de estudio, aún no entendemos del todo la sonoluminiscencia. Se conocen los ingredientes básicos, sí, pero los detalles finos siguen siendo objeto de debate científico. ¿Por qué algunas burbujas emiten luz de forma estable y otras no? ¿Qué papel exacto juega la composición del gas? ¿Qué proceso domina realmente la emisión luminosa?

Quizás ahí reside su encanto. La luz dentro de un frasco nos recuerda que la naturaleza guarda extremos insospechados en los lugares más pequeños, donde a veces, lo diminuto y lo local también saben imitar estrellas. Basta escuchar con suficiente intensidad para que la luz aparezca.