Agujeros negros en el laboratorio

Los agujeros negros, los cuerpos más exóticos del Universo, un concepto absolutamente abstracto en nuestro día a día, podrían ser objeto de estudio en nuestros laboratorios.

Jeff Steinhauer, de Israel Institute of Technology, ha simulado en su laboratorio la radiación de Hawking que emiten los agujeros negros. Esto permitirá estudiar y comprender mejor la naturaleza cuántica alrededor de un agujero negro, lo que podría ayudar en la unificación de la mecánica cuántica y la relatividad general. Su trabajo se publica en la revista Nature Physics.

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Jeff Steinhauer simula radiación Hawking radiation en su laboratorio de Israel, usando condensados de Bose-Einstein.

La guerra de los agujeros negros

Los agujeros negros son objetos cósmicos exóticos que surgen después de la muerte violenta de estrellas masivas. El campo gravitacional extremo en ellos no permite escapar ni la luz de ellos. Esto hace que sean difícil de observar y estudiar. Pero la relatividad general es una herramienta muy poderosa que permite a los teóricos explorarlos.

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Stephen Hawking, en 1974, estudiando de algunas propiedades cuánticas alrededor de agujeros negros, predijo que no son de hecho negros, sino grises. Los agujeros negros emiten radiación debido a las fluctuaciones cuánticas que pueden hacer aparecer y desaparecer partículas elementales virtuales alrededor del agujero negro (muy cerca de su horizonte de sucesos). Estas partículas virtuales vienen en pares de partículas y antipartículas que aparecen y se aniquilan en una fracción muy pequeña de tiempo. Pero puede ocurrir que una de ellas caiga en el agujero, mientras que la otra escapa. Hawking también predijo que esta radiación debe ser la radiación aleatoria, térmica, como la que emite cualquier cuerpo con cierta temperatura: el sol, un metal al rojo vivo, una persona a 37C. Pero recientemente ha surgido controversia sobre esto. La controversia, surgida al Intentar explicar esta radiación y hacerla compatible con la mecánica cuántica, se ha convertido en la paradoja de la información, un debate abierto, caliente y apasionada entre los físicos teóricos de agujeros negros (Hawking, Maldacena, Suskind). Leonard Suskind hace una estupenda descripción de esta guerra en su libro “La guerra de los agujeros negros“.

La gravedad cuántica

La mecánica cuántica se aplica a escalas muy pequeñas, para describir las partículas elementales, mientras que la gravedad general se aplica a intensos campos gravitacionales, estrellas, agujeros negros, galaxias, el Universo. El hecho de que no encontremos accesibles en la Naturaleza situaciones en las que tenemos partículas elementales y los altos campos gravitacionales, al mismo tiempo, hace que sea casi imposible tener observaciones para probar y construir la teoría. Es por ello que en la última década algunos esfuerzos se han dirigido a buscar formas alternativas para explorar los agujeros negros en el laboratorio.

Imagen de la naturaleza física. El condensado de Bose-Einstein 1D, que atrapa los fonones de la región a la derecha del horizonte. Se muestra el valor medio del conjunto.

La simulación de la relatividad general en el laboratorio.

Hay algunos trabajos en el campo de la fotónica que simulan el comportamiento de la luz alrededor de un agujero negro. Además, el uso de un condensado de Bose-Einstein (BEC), un gas ultra-frío de átomos (una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto) que pueden mostrar un comportamiento cuántico macroscópico. Jeff Steinhauer, está haciendo experimentos para crear un análogo de ondas de sonido para un agujero negro. En su trabajo, Steinhauer crea fonones, en lugar de fotones, que son excitaciones mecánicas y pueden ser considerados el equivalente en ondas sonoras de lo que los fotones son a las ondas de luz. Se estimula el BEC con láser para que se muevan aproximadamente a 1 milímetro por segundo. Esta velocidad es dos veces la velocidad del sonido en el BEC. Al hacer esto, él puede atrapar fonones en el BEC al igual que los fotones se encuentran atrapados en los agujeros negros. A medida que se crean espontáneamente los fonones, al igual que los fotones virtuales alrededor del agujero negro, algunos de ellos pueden ser atrapados, mientras que su pareja puede escapar, simplemente imitando la radiación de Hawking.

nphys3863-f2-1.jpgImagen de Nature Physics. Condensado de Bose–Einstein 1D, que atrapa fonones en la region a la derecha del horizonte. Se muestra el promedio sobre la colectividad.

Steinhauer ha encontrado que los fonones que caen dentro del agujero negro acústico están entrelazados con los fonones que escapan, que indica que fueron creados de la misma perturbación, tal y como las partículas virtuales. También, Steinhauer encontró que la radiación de sonido observada es compatible con una radiación de ruido, como sería el caso de la radiación térmica de un agujero negro. Este tipo de radiación no aporta más información que la temperatura del cuerpo que la emite (por eso sabemos que el sol está a unos 5700C).

Todavía hay algunas preguntas abiertas a este trabajo, tales como el análisis de frecuencia. El entrelazamiento está claro para los fonones de alta energía (alta frecuencia), pero no tan claro para los de baja energía. Además, a pesar de que podría pensarse que estos experimentos podrían aclarar la paradoja de la información (desentrañar las características de radiación de Hawking para ver si se puede extraer información desde el interior del agujero negro mediante el uso de esta radiación), no está del todo claro a partir de este trabajo.

En cualquier caso, una puerta muy interesante ha sido abierto que puede echar la luz en la oscuridad de los agujeros negros.

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