¿Podrían crearse nuevas partículas alrededor de agujeros negros?

Los agujeros negros se caracterizan por engullir todo lo que se acerca demasiado a ellos y no dejar escapar nada de su interior, y sin embargo son capaces de emitir partículas y hasta de evaporarse. Hoy hablamos de un nuevo método para estudiarlos que podría darnos pistas sobre la existencia de nuevas partículas.

 

Un agujero negro es capaz de engullir todo lo que se cruza en su camino y no deja escapar nada de su interior. Por tanto, podría parecer paradojico hablar sobre la emisión de partículas de un agujero negro, pero eso mismo ha estudiado una colaboración de científicos de las universidades de Amsterdam y Harvard. Ellos no han descubierto nada nuevo, sino que han propuesto un nuevo mecanismo por el cual podrían formarse partículas completamente nuevas en las cercanías de un agujero negro y sobre cómo podríamos utilizar ondas gravitatorias para estudiarlas y comprenderlas.

Se conoce desde hace ya algunos años que un agujero negro puede perder masa e incluso llegar a “evaporarse”, a desvanecerse. El proceso más conocido de los que roban masa a un agujero negro es el de la radiación de Hawking, que es un proceso por el cual el agujero negro puede emitir partículas de manera espontánea. Esto ocurre porque en las cercanías del agujero negro, la curvatura del espaciotiempo es tal que pueden crearse de manera espontánea gran cantidad de partículas “virtuales”.

Estas partículas virtuales, predichas por la teoría cuántica de campos, se estarían creando y aniquilando constantemente. Sin embargo cerca de un agujero negro puede ocurrir que, tras crearse, una de las partículas caiga al interior del horizonte de sucesos (la región de no retorno del agujero negro) y la otra salga despedida (si tenía suficiente energía). Esto hará que a efectos prácticos el agujero negro pierda la masa correspondiente a la energía que ha conseguido escapar.

Si un agujero negro no acumula masa a ritmo suficiente, puede llegar a desaparecer por culpa de la radiación de Hawking. Sin embargo, un agujero negro de la masa del Sol tardaría varias veces la edad del universo en llegar a evaporarse completamente, por lo que esto sólo podríamos llegar a verlo en agujeros negros muy poco masivos.

El equipo de Daniel Baumann ha estudiado el proceso de la superradiancia, que puede entenderse sin recurrir a la física cuántica. Este proceso es uno de entre muchos otros que pueden extraer energía de un agujero negro en rotación. Otro, tal vez más famoso, sería el que propuso Roger Penrose mediante desintegración de partículas dentro de la región conocida como ergosfera. La superradiancia es el fenómeno que ocurre cuando una onda (en principio del tipo que sea, pero especialmente gravitatoria) incide sobre el agujero negro y es reflejada y absorbida. Lo que esperaríamos que ocurriera es simplemente que esa onda inicial se dividiera en dos componentes, una para la onda reflejada y otra para la parte absorbida por el agujero negro, de forma que la energía al principio se hubiera repartido entre las componentes finales.

Cuando tenemos un agujero negro en rotación puede ocurrir que la onda absorbida tenga “energía negativa”, es decir, tenga el efecto de reducir esa rotación, de forma que, por conservación de la energía, la onda reflejada adquirirá más energía que la onda original. Básicamente, al incidir la onda estaría consiguiendo frenar la rotación y ser amplificada en el proceso. Aunque hemos dicho que este fenómeno no requiere de la física cuántica para ser explicado, sí podemos acudir a uno de sus sistemas más estudiados, el átomo, para encontrar un análogo que nos permita entender todo esto en otros términos.

Esta superradiancia puede entenderse como una estimulación del agujero negro para que emita partículas, de la misma forma que un átomo puede ser estimulado con luz para que emita más luz. Pues bien, el artículo de Baumann et al propone un proceso similar al del efecto fotoeléctrico, por el cual un átomo emitiría electrones tras recibir luz suficientemente energética (como en las placas solares o en los detectores de un ascensor), pero para el agujero negro. Cuando un objeto masivo (agujero negro, estrella de neutrones, etc) orbita alrededor de un agujero negro, la nube de partículas formada tras la superradiancia es capaz de absorber la energía orbital del astro compañero. Es decir, podría afectar a su órbita, reduciéndola y ganando energía en el proceso. Al absorber esta energía, parte de la nube sería emitida y eyectada (como ocurría con el electrón en el átomo).

Este proceso podría alterar enormemente la evolución del sistema binario, reduciendo el tiempo necesario para que se produzca la colisión de los dos objetos. Al interactuar el segundo objeto con la nube de partículas emitida en la superradiancia su órbita se iría reduciendo a saltos, en vez de lentamente. Además, el proceso de emisión de esta nube de partículas se verá amplificado para ciertas distancias orbitales y dependerá enormemente del contenido en partículas de la nube, de forma que estudiando en detalle las ondas gravitatorias emitidas por el par de astros mientras se orbitan y acaban colisionando podría darnos información valiosísima sobre la existencia de nuevas partículas. Este resultado puede resultar clave en nuestra búsqueda de la materia oscura así como de física más allá del Modelo Estándar de la física de partículas.

Referencia:

D,.Baumann et al, 2022, Sharp Signals of Boson Clouds in Black Hole Binary Inspirals. Physical Review Letters, 128 (22) DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.221102

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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