Cómo fabricar un agujero negro

Según un modelo teórico, los agujeros negros emiten espontáneamente un tipo de radiación. Para saber si es así, un científico israelí ha diseñado uno.

Un modelo que usa ondas sonoras

Un hipotético observador externo podría apreciar esta radiación, asociada a la partícula que sale del agujero. Hawking formuló esta teoría en 1974, pero no se ha podido demostrar, ni directa, ni indirectamente. Ahora, el físico Jeff Steinhauer asegura haberlo conseguido. En un estudio publicado en la revista Nature Physics, este científico del Instituto Tecnológico de Israel (Technion) describe cómo ha utilizado un modelo análogo al cuerpo cósmico recreado en un laboratorio: un agujero negro acústico. Para determinar sus propiedades, en vez de luz ha usado ondas sonoras –denominadas fonones– y un gas extremadamente frío, cercano al cero absoluto.

Este gas es el condensado de Bose-Einstein, el quinto estado de la materia, postulado en los años veinte por Albert Einstein y el físico indio Satyendra Nath Bose. Lo que ha hecho el investigador del Technion ha sido medir las pequeñas variaciones que generan las ondas sonoras en la densidad del condensado. Estas oscilaciones se sitúan a ambos lados del horizonte por el que se propagan las ondas en el agujero acústico. "Steinhauer ha estudiado las correlaciones que existen entre esas fluctuaciones a ambos lados del horizonte y ha encontrado indicios compatibles con lo que se esperaría si el horizonte acústico generase radiación de Hawking", resume Olmo.

Pese a lo prometedor del hallazgo, la mayoría de los investigadores señala que no se puede extrapolar a un agujero negro real. Lo que miden los científicos en los laboratorios son las propiedades cuánticas del sistema, unas características prácticamente indetectables en los agujeros astrofísicos debido a su gran tamaño. "Los efectos de la mecánica cuántica son importantes cuando se trata de objetos microscópicos. Aunque, en principio, esta teoría puede describir todo el universo, si se trata de cosas grandes se usa la mecánica clásica", aduce Roberto Emparan, del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica de la Universidad de Barcelona.

Los científicos llevan décadas tratando de probar la existencia de esta radiación

El estudio ha causado una gran controversia

Los científicos llevan décadas tratando de probar la existencia de esta radiación. "Desde que era estudiante de doctorado, hace más de veinticinco años, se viene anunciando que está a punto de conseguirse", recuerda Emparan. Para ello, a lo largo de este tiempo se han ido probando distintas estrategias. Estas emplean superfluidos, fibras ópticas, polaritones –partículas híbridas de luz y materia–, anillos de iones... También se han utilizado flujos de agua, aunque, en este caso, lo que se intenta recrear no es un agujero negro, sino uno blanco, cuya principal característica es que en él no puede entrar nada. El físico Germain Rousseaux asegura haber demostrado la existencia de la radiación de Hawking precisamente en un experimento de este tipo.

En opinión de este experto del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia, el anuncio de Steinhauer es una buena noticia. "Que haya varios sistemas físicos donde se observe el efecto demuestra que es algo universal, aunque la primera vez se predijera en un contexto astrofísico", indica. Pero Ulf Leonhardt no comparte esta visión. Este físico del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel, que lleva años buscando la esquiva radiación, al igual que su colega del Technion, cuestiona el hallazgo en un artículo publicado en el portal arXiv. "Los datos experimentales del estudio son válidos; las conclusiones y afirmaciones, no", asegura. La respuesta de Steinhauer no se ha hecho esperar, y a través de otro artículo en el mismo sitio web, refuta hasta quince de los comentarios de Leonhardt.

Más allá de los modelos teóricos

Para Christoph Adami, profesor de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Míchigan, en EE. UU., el trabajo muestra por primera vez los efectos cuánticos que se habían predicho en los agujeros negros y que no se pueden medir directamente. "Por ahora, no tenemos otras pruebas experimentales de ellos, más allá de los modelos con los que tratamos de imitarlos. Quizá algún día puedan estudiarse a partir de las ondas gravitacionales que emiten los agujeros negros", pronostica Adami.

Del mismo modo, Daniele Pranzetti, físico de astropartículas en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, en Italia, cree que los resultados del estudio son notables. Desde su punto de vista, arrojan algo de luz sobre un tema muy debatido durante más de cuatro décadas, aunque coincide con los demás científicos en que los datos no se pueden extrapolar a los agujeros negros reales. "Podría verse como un acto de fe, pero es una vía interesante para explorar, sobre todo, a falta de una mejor", alega Pranzetti.

En los últimos años, nos hemos encontrado con grandes hallazgos científicos en diferentes ramas de la física. Así, la confirmación de la existencia del bosón de Higgs les valió el Nobel a Peter Higgs y François Englert, que la habían planteado. Es posible que la captura de las ondas gravitacionales consiga el galardón en las próximas ediciones. Si se demuestra que la radiación de Hawking está ahí, ¿estaríamos ante un hallazgo tan importante como estos dos? No está claro, aunque, en principio, no lo parece.

Hacia una teoría cuántica de la gravedad

Por el contrario, este mismo científico no cree que el posible hallazgo de la radiación de Hawking en agujeros negros acústicos tenga un gran impacto. Otra cosa sería detectar ese fenómeno en agujeros negros reales. No obstante, algunos investigadores señalan que se trata de un paso más hacia la consecución de uno de los grandes sueños de la física: el alumbramiento de una teoría unificada que sea capaz de armonizar la relatividad general con la mecánica cuántica. El propio Einstein dedicó treinta años de su vida a intentar dar con ella, pero no lo consiguió. Esa teoría del todo permitiría explicar todas las fuerzas de la naturaleza y las características de la energía y la materia, tanto a nivel cosmológico como atómico.

"La radiación propuesta por Hawking sugiere que los agujeros negros podrían no serlo tanto como se pensaba en un principio, pues emitirían pares de partículas. Esto plantea una curiosa paradoja cuando se trata de unificar la teoría de la relatividad general de la gravedad formulada por Einstein con la de la mecánica cuántica", declara Pranzetti. En este sentido, "el hallazgo de Steinhauer, si se demuestra, podría ser muy revelador", añade el científico.

Para Olmo, desde el punto de vista más optimista, esta línea de estudio ayudaría a dar forma a una teoría cuántica de la gravedad. "Esta permitiría comprender la esencia de la teoría cuántica de campos y la relatividad general de Einstein y cómo se combinan", apunta. "Si ocurriera, sería un avance mucho más importante que la detección de dos elementos concretos de dichas teorías, como son, respectivamente, el bosón de Higgs y las ondas gravitacionales", añade.

Pero es que, según este experto, aun mostrándonos más conservadores, nos encontramos con que el experimento, independientemente de cualquier otra consideración, verifica que existe un horizonte acústico por donde se propagan las ondas y que tiene propiedades cuánticas. "Por sí solo se trata de un resultado importante, pues nunca hemos observado directamente estos horizontes en sistemas astrofísicos", comenta Olmo.

De momento, los agujeros negros son uno de los objetos más enigmáticos del universo

Los agujeros negros seguirán siendo un misterio

Lo que tienen en común los agujeros negros reales con los de laboratorio es justo la presencia de este horizonte, aunque sus propiedades y comportamientos son distintos. "Los acústicos se dan en una dimensión espacial y su horizonte es un punto, no una esfera como en los reales", puntualiza Emparan, que reitera que los estudios con sistemas análogos no permiten analizar las características de los objetos originales.

Esta posición teórica choca con la de muchos otros científicos, que desarrollan este tipo de trabajos experimentales en diferentes centros de investigación. "El estudio demuestra que se pueden llevar a cabo pruebas de laboratorio para estudiar fenómenos cuánticos en contextos gravitacionales y cosmológicos, lo que puede ayudar enormemente a su entendimiento y modelización", arguye Muñoz de Nova desde Israel.

En todo caso, se confirme o no la existencia de la radiación de Hawking a partir de los resultados obtenidos por Steinhauer, los agujeros negros seguirán contándose entre los objetos más enigmáticos del universo. De hecho, hace solo cincuenta años se dudaba de que existieran realmente estas regiones del cosmos de las que nada material, ni siquiera la luz, puede escapar. No obstante, gracias al hallazgo de las ondas gravitacionales, anunciado en febrero de 2016, ahora es posible observar incluso cómo su eco nos llega a través del espacio y el tiempo.

Imágenes: Alain r vía Wikimedia / CC - Nitzan Zohar / Technion - LIGO / T. Pyle

Etiquetas: agujeros negrosfísicafísica cuántica

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