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¿Un agujero negro y radiación Hawking en una fibra óptica?

Artículo en AstroSETI

Simulando el horizonte de los agujeros negros en una fibra óptica los investigadores piensan observar el análogo de esta radiación dentro de poco tiempo.

Publicado: Viernes, 14/3/2008 - 12:15  | 5522 visitas.

Imagen: Agencias / Internet
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En 1974 para la estupefacción general, Stephen Hawking demostraba que los agujeros negros no eran tales si se tenía en cuenta los efectos de la mecánica cuántica. Sin embargo, la radiación Hawking de los agujeros negros no siempre ha sido detectada e incertidumbres teóricas quedan en el aire. Consiguiendo simular el horizonte de los agujeros negros en una fibra óptica los investigadores piensan observar el análogo de esta radiación dentro de poco tiempo.

Procurando probar que no se podía asociar una entropía a un agujero negro como se proponía Jacob Bekenstein, Stephen Hawking hizo su famoso descubrimiento que le hizo mundialmente célebre. Bekenstein tenía razón de hecho y, cuando se aplica la teoría de los campos cuánticos en el espacio tiempo curvado sobre un agujero negro, encontramos que éste debe irradiar como un cuerpo negro con una temperatura inversamente proporcional a la masa del agujero negro.

Desgraciadamente, esta temperatura está por debajo de la de la radiación fósil en el caso de los agujeros negros estelares, sin hablar de los agujeros negros galácticos que, en lugar de pesar varias veces la masa del Sol como los precedentes, son miles de millones de veces más pesados. ¡Así, no sólo la radiación de estos agujeros negros es increíblemente débil sino que su temperatura es más baja que la de la radiación de fondo cósmica estudiada finamente por WMap, y absorben la radiación (del fondo cósmico) en vez de emitirla!

Con reservas, la radiación Hawking existe por supuesto... Entonces, hasta parece inevitable cuando se procura hacer compatible la relatividad general, la termodinámica y la mecánica cuántica, existen muchas zonas oscuras en la derivación teórica de este tema.

De la misma forma que los investigadores pueden simular el comportamiento hidrodinámico de los flujos de aire alrededor de una maqueta, o la generación del campo magnético de la Tierra en laboratorio con el experimento VKS, sería del mayor interés poder simular un agujero negro por un fenómeno físico fácil de observar en el laboratorio y que descansaría en ecuaciones matemáticas análogas a las que describen un agujero negro y la radiación Hawking.

Construir el análogo de un agujero negro.

Esta estrategia ya fue propuesta hace mucho tiempo por William Unruh que en 1981, demostraba que un flujo supersónico podía teóricamente reproducir el análogo del horizonte de un agujero negro y que una especie de radiación Hawking emanaría en forma de cuanto de ondas sonoras.

Para hacerse una idea de esta situación, recordemos que un agujero negro no está definido por la existencia de una singularidad sino por la de un horizonte que rodea una región del espacio y lo aísla completamente de toda comunicación hacia el exterior (una señal que abandonara esta región debería sobrepasar la velocidad de la luz).

En un flujo de aire supersónico en una tobera, puede existir una región del fluido de la cual ninguna onda acústica pueda salir, precisamente a causa de la velocidad supersónica de los flujos. Considerando la velocidad del sonido como análoga de la velocidad de la luz, obtenemos condiciones que se parecen a los de un agujero negro.

Podemos aplicar a la ecuación del sonido las reglas de la mecánica cuántica, como a la ecuación de la luz que se le parece mucho. Resultan entonces cuantos de energía sónica análogos a los cuantos de luz que son los fotones. Así como se trata aquí de sonido, hablaremos de fonones y, en lugar de tener un agujero negro, tendremos un agujero sordo (podemos hablar también de agujero negro acústico), susceptible de emitir una radiación sónica de cuerpo negro.

Todo ocurre entonces como en un agujero negro y si se traza un diagrama de espacio tiempo, como el de la imagen anterior, el agujero sordo puede verse como una zona rodeada de un horizonte (región gris) con pares de fonones-anti fonones que aparecen y desaparecen por fluctuaciones alrededor del horizonte.

Uno de los fonones se dirigirá hacia el horizonte y, penetrando dentro del agujero sordo, no podrá salir de el, el otro dejará entonces la vecindad del horizonte para ser eventualmente absorbido por un captador a lo lejos.

Otras analogías hidrodinámicas son esclarecedores y merecen la pena de ser mencionadas. La más célebre es la de la cascada poblada de peces que pueden desplazarse con una velocidad máxima c.

Si se considera la velocidad v del derrame de agua, ésta aumenta a medida que se acerca a la cascada, que puede ser vista como la singularidad en el seno de la solución clásica de Schwarzschild que describe un agujero negro. Cuando la velocidad v sobrepasa la velocidad máxima c de los peces, poco antes llegar a la cascada, conseguimos un horizonte de no vuelta para los peces más allá del cual no pueden escaparse, y acabarán inevitablemente por caer en la cascada.

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