El Dr. Stephen Hawking presentó una teoría inquietante en 1974 que afirmaba que los agujeros negros se evaporaban. Ahora, 40 años después, un investigador ha anunciado la creación de una simulación de la radiación de Hawking en un laboratorio.
La posibilidad de un agujero negro vino de la teoría de la relatividad general de Einstein. Karl Schwarzchild, en 1916, fue el primero en darse cuenta de la posibilidad de una singularidad gravitacional con un límite que lo rodea en el que no puede escapar la luz o la materia que entra.
Este mes, Jeff Steinhauer del Technion - Instituto de Tecnología de Israel, describe en su artículo, "Observación de la radiación de Hawking autoamplificadora en un láser analógico de agujero negro" en la revista Nature, cómo creó un horizonte de eventos analógico utilizando una sustancia se enfrió hasta casi el cero absoluto y el uso de láser pudo detectar la emisión de radiación de Hawking. ¿Podría ser esta la primera evidencia válida de la existencia de la radiación de Hawking y, en consecuencia, sellar el destino de todos los agujeros negros?
Este no es el primer intento de crear un análogo de radiación Hawking en un laboratorio. En 2010, se creó un análogo a partir de un bloque de vidrio, un láser, espejos y un detector refrigerado (Phys. Rev. Letter, septiembre de 2010); no humo acompañado los espejos. El pulso ultracorto de luz láser intensa que pasa a través del vidrio indujo una perturbación del índice de refracción (RIP) que funcionó como un horizonte de eventos. Se vio luz emitida por el RIP. Sin embargo, los resultados de F. Belgiorno et al. sigue siendo controvertido Todavía se justificaban más experimentos.
El último intento de replicación de la radiación de Hawking por Steinhauer adopta un enfoque más tecnológico. Crea un condensado de Bose-Einstein, un estado exótico de la materia a una temperatura muy cercana al cero absoluto. Los límites creados dentro del condensado funcionaban como un horizonte de eventos. Sin embargo, antes de entrar en más detalles, demos un paso atrás y consideremos lo que Steinhauer y otros están tratando de replicar.
La receta para hacer la radiación de Hawking comienza con un agujero negro. Cualquier tamaño de agujero negro servirá. La teoría de Hawking afirma que los agujeros negros más pequeños se irradiarán más rápidamente que los más grandes y, en ausencia de materia que caiga en ellos, la acumulación se "evaporará" mucho más rápido. Los agujeros negros gigantes pueden tomar más de un millón de veces la edad actual del Universo para evaporarse por medio de la radiación de Hawking. Al igual que un neumático con una fuga lenta, la mayoría de los agujeros negros lo llevarían a la estación de reparación más cercana.
Entonces tienes un agujero negro. Tiene un horizonte de eventos. Este horizonte también se conoce como el radio de Schwarzchild; la luz o la materia que se registran en el horizonte de eventos nunca se puede verificar. O eso fue la comprensión aceptada hasta que la teoría del Dr. Hawking la volcó. Y fuera del horizonte de eventos hay espacio ordinario con algunas advertencias; considérelo con algunas especias agregadas. En el horizonte de sucesos, la fuerza de gravedad del agujero negro es tan extrema que induce y magnifica los efectos cuánticos.
Todo el espacio, dentro de nosotros y rodeándonos hasta los extremos del Universo, incluye un vacío cuántico. En todas partes, en el vacío cuántico del espacio, aparecen y desaparecen pares de partículas virtuales; inmediatamente aniquilándose unos a otros en escalas de tiempo extremadamente cortas. Con las condiciones extremas en el horizonte de sucesos, se están materializando pares de partículas virtuales y antipartículas, como un electrón y un positrón. Los que aparecen lo suficientemente cerca de un horizonte de eventos pueden tener una u otra partícula virtual eliminada por la gravedad de los agujeros negros, dejando solo una partícula que, en consecuencia, ahora es libre de agregar a la radiación que emana de alrededor del agujero negro; La radiación que en conjunto es lo que los astrónomos pueden usar para detectar la presencia de un agujero negro pero no observarlo directamente. Es el desemparejamiento de partículas virtuales por el agujero negro en su horizonte de eventos que causa la radiación de Hawking que por sí misma representa una pérdida neta de masa del agujero negro.
Entonces, ¿por qué los astrónomos no buscan en el espacio la radiación de Hawking? El problema es que la radiación es muy débil y se ve abrumada por la radiación producida por muchos otros procesos físicos que rodean el agujero negro con un disco de acreción. La radiación es ahogada por el coro de procesos energéticos. Entonces, la posibilidad más inmediata es replicar la radiación de Hawking utilizando un análogo. Si bien la radiación de Hawking es débil en comparación con la masa y la energía de un agujero negro, la radiación tiene esencialmente todo el tiempo en el Universo para eliminar su cuerpo padre.
Aquí es donde la convergencia de la creciente comprensión de los agujeros negros condujo al trabajo seminal del Dr. Hawking. Los teóricos, incluido Hawking, se dieron cuenta de que a pesar de la teoría cuántica y gravitacional que es necesaria para describir un agujero negro, los agujeros negros también se comportan como cuerpos negros. Se rigen por la termodinámica y son esclavos de la entropía. La producción de radiación de Hawking puede caracterizarse como un proceso termodinámico y esto es lo que nos lleva de vuelta a los experimentadores. Se podrían utilizar otros procesos termodinámicos para replicar la emisión de este tipo de radiación.
Usando el condensado de Bose-Einstein en un recipiente, Steinhauer dirigió los rayos láser hacia el delicado condensado para crear un horizonte de eventos. Además, su experimento crea ondas de sonido que quedan atrapadas entre dos límites que definen el horizonte de eventos. Steinhauer descubrió que las ondas de sonido en su horizonte de eventos analógico se amplificaron como sucede con la luz en una cavidad láser común, pero también según lo predicho por la teoría del Dr. Hawking sobre los agujeros negros. La luz se escapa del láser presente en el horizonte de eventos analógico. Steinhauer explica que esta luz que se escapa representa la radiación de Hawking que tanto se buscaba.
La publicación de este trabajo en Nature se sometió a una considerable revisión por pares para ser aceptada, pero eso por sí solo no valida sus hallazgos. El trabajo de Steinhauer ahora resistirá un escrutinio aún mayor. Otros intentarán duplicar su trabajo. La configuración de su laboratorio es análoga y queda por verificar que lo que está observando realmente representa la radiación de Hawking.
Referencias
"Observación de la radiación de Hawking autoamplificadora en un láser analógico de agujero negro", Nature Physics, 12 de octubre de 2014
"Radiación Hawking de filamentos de pulso láser ultracortos", F. Belgiorno, et al., Phys. Carta, septiembre de 2010
"¿Explosiones de agujeros negros?", S. W. Hawking, et al., Nature, 01 de marzo de 1974
"La mecánica cuántica de los agujeros negros", S. Hawking, Scientific American, enero de 1977
