Una bomba de un agujero negro probablemente sería el arma más destructiva del universo. Hipotéticamente, podría crearse envolviendo uno de estos monstruos cósmicos en los espejos y esperando que se vaya “boom”. Ahora Hendrik Ulbricht de la Universidad de Southampton en Inglaterra y sus colegas tienen demostró este principio, llamado superradiance, en el laboratorio Usando un cilindro de metal giratorio en lugar de un agujero negro. Presentaron sus resultados, que aún no han sido revisados por pares, al servidor Preprint arxiv.org a fines de marzo.
“Este trabajo muestra que una ‘bomba de agujeros negros’ se puede construir en el laboratorio”, dice el físico Vitor Cardoso del Instituto Niels Bohr en Dinamarca, quien no participó en el estudio. “Por lo tanto, proporciona una base sólida para estudiar toda la física de los agujeros negros”.
Entre los objetos más extraños del universolos agujeros negros empacan tanta masa en un espacio tan pequeño que pueden deformar radicalmente el espacio -tiempo. El tirón gravitacional de un agujero negro es tan fuerte que a cierta distancia, nada puede escapar de él, ni siquiera luz. El teórico Roger Penrose es uno de los pioneros que primero estudió agujeros negros matemáticamente en detalle, trabajos para el que compartió El Premio Nobel de Física en 2020. Y en medio de ese trabajo temprano, se dio cuenta de algo sorprendente.
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Como sabía Penrose, nada se detiene en nuestro cosmos, ni siquiera los agujeros negros. Estos monstruos masivos pueden girardistorsionando el espacio -tiempo en el proceso para formar una especie de vórtice. Se puede atrapar un objeto que se acerca en este vórtice y una espiral alrededor del agujero negro giratorio. Incluso antes de que el objeto pase el horizonte del evento, más allá del cual ni siquiera la luz puede escapar de las embragues de la gravedad, llega a un área que los físicos llaman la “ergrosfera”. Allí, el objeto tendría que moverse más rápido que la luz para escapar de la rotación alrededor del agujero negro.
Esta ergosfera es un lugar extraño, como señaló Penrose, porque los objetos allí pueden poseer energía negativa. Una partícula, por ejemplo, podría dividirse en dos partes iguales pero opuestas: una con energía negativa y otra con energía positiva. El primero se estrellaría en el agujero negro (reduciendo así la energía del agujero negro), permitiendo que el segundo escapara del poderoso agarre del gigante cósmico. Un observador externo vería una partícula con cierta energía cayendo hacia el agujero negro, solo para aparentemente rebotar hacia afuera con mayor energía. El agujero negro pierde parte de su energía de rotación en el proceso.
Minería de agujeros negros y superradianza
En principio, esto permitiría que los agujeros negros sirvan como fuentes gigantescas de energía. El proceso no solo podría imbuir objetos masivos con más energía, sino también amplificar las ondas electromagnéticas en un fenómeno llamado superradiancia. Esta realización estimuló a algunos físicos a imaginar Cómo las civilizaciones alienígenas avanzadas podrían usar una superradianza para generar energía. Pero a pesar de lo relativamente simple que es describir en el papel, nadie sabía cómo se podía observar la señal de superradianza en agujeros negros reales. Por lo tanto, el concepto inicialmente permaneció mera especulación.
En 1971, sin embargo, dos años después de que Penrose describiera por primera vez este fenómeno, el físico Yakov Zel’dovich publicó una investigación que sugirió que los agujeros negros no son los únicos objetos que pueden aprovecharse como fuentes de energía superradiantes. Cualquier cuerpo rotativo, axialmente simétrico que absorbe la radiación electromagnética, como un cilindro de metal, también puede exhibir superradiancia bajo ciertas circunstancias. “En términos generales, el absorbedor giratorio debe girar más rápido que la rotación de fase de la radiación incidente”, explica la física Maria Chiara Braidotti de la Universidad de Glasgow en Escocia, quien estuvo involucrado en el último trabajo. “Si se cumple esta condición, el coeficiente de absorción del cilindro cambia de signo, amplificando así la radiación”.
Zel’dovich incluso fue un paso más allá al demostrar que la superradiancia también podría tener lugar en el vacío y no requeriría una onda electromagnética entrante. Esto se debe a que en las escalas cuánticas el vacío es todo menos vacío. En cualquier momento, los pares de partículas virtuales y las antipartículas pueden surgir, aunque generalmente se aniquilan inmediatamente nuevamente. El fenómeno se conoce como fluctuación de vacío. Y estas fluctuaciones también podrían amplificarse en la vecindad de los agujeros negros, o un cilindro de metal giratorio. “Stephen Hawking no creyó esta idea e intentó refutarla”, explica Marion Cromb, investigador del grupo de Ulbricht en la Universidad de Southampton y contribuyente al nuevo trabajo. “No solo lo hizo [Hawking] Admitir que Zel’dovich tenía razón, pero también pudo demostrar que incluso los agujeros negros no rotadores, sin una ergosfera, emiten la radiación espontáneamente “. Esta realización condujo al descubrimiento de Radiación de Hawking.
Sin embargo, de acuerdo con los cálculos teóricos, la superradianza basada en el vacío sería tan débil que no podría detectarse, a menos, es decir, se amplificó de alguna manera. Como Zel’dovich describió, el cuerpo giratorio (agujero negro o cilindro de metal) podría encerrarse en los espejos para reflejar la radiación amplificada hacia el cuerpo giratorio, intensificándolo una y otra vez. Como los físicos William Press y Saul Teukolsky se dieron cuenta, tanta energía podría acumularse dentro de los espejos que ocurriría una explosión gigantesca. Presione y Teukolsky, por lo tanto, se refirió a la configuración como una bomba de agujeros negros.
Dependiendo de cuánta energía de rotación tenga el agujero negro o el cilindro de metal, es concebible un resultado que no sea una explosión gigantesca. Cardoso y sus colegas describieron esta posibilidad en un artículo publicado en 2004 que mostró cómo La superradianza puede cesar si el agujero negro o el cilindro de metal pierde demasiado momento angulardesactivando así la explosión.
Explosiones en el laboratorio
Ulbricht, Braidotti y sus colegas ahora querían probar todas estas predicciones teóricas en el laboratorio. “Originalmente, pensamos que sería demasiado difícil observar el efecto real”, dice Braidotti, nada de que un cilindro tendría que girar tan rápido que se destruiría en el proceso. Por esta razón, inicialmente dirigió su atención a sistemas más simples en los que puede ocurrir una superradianza, incluida una configuración con ondas de sonido. “El avance fue notando cómo reducir las frecuencias de los campos electromagnéticos de una manera muy simple para que sean más pequeñas que las frecuencias de rotación de los cilindros metálicos”, explica Ulbricht. Los investigadores solo necesitaban circuitos de corriente alternativos para esto. “Este hallazgo abrió la posibilidad de realizar el experimento con ondas electromagnéticas”, dice Braidotti.
Luego, el equipo dirigió su atención a la superradianza electromagnética. “La configuración experimental en sí es bastante simple: consiste en un cilindro giratorio y las bobinas del estator de un motor de inducción disponible comercialmente, combinado con algunos condensadores y resistencias”, dice Cromb. Estos dispositivos se colocaron alrededor del cilindro de metal para generar un campo magnético dentro de él, que produjo radiación electromagnética. Al mismo tiempo, estos dispositivos también sirvieron como espejos porque reflejaban las ondas electromagnéticas hacia el cilindro.
“La mayor dificultad fue que las cosas explotaban constantemente”, dice Cromb. “Fue un acto de equilibrio entre medir una señal razonable y sobrecargar el sistema. Cuando la corriente a través de las bobinas se volvió demasiado alta, las resistencias en el circuito excedieron su voltaje nominal y se quemaron. Esto interrumpió el circuito eléctrico, destruyendo así el ‘espejo'”.
Inicialmente, los investigadores temían que estas sobrecargas impidieran cualquier observación de la superradiancia. Pero tuvieron suerte. “El refuerzo fue lo suficientemente grande como para superar la pérdida y entrar en el área de inestabilidad”, dice Cromb. De hecho, el equipo pudo demostrar que el voltaje en su estructura aumentó exponencialmente, como lo predijo Zel’dovich. Esto sustenta la afirmación de los investigadores de la primera demostración basada en el laboratorio de una versión electromagnética de una bomba de agujas negras.
Tenga en cuenta que, a pesar de las connotaciones marciales del nombre, la “bomba” Ulbricht y su equipo construido en su laboratorio no se parecen nada a una munición de grado militar, o incluso un petardo. Sería bastante inútil como arma porque su rendimiento es solo del orden de un milijoule de energía, es decir, aproximadamente la misma cantidad involucrada en presionar una sola tecla en un teclado mecánico.
Superpradianza sin radiación?
A continuación, Cromb y el equipo utilizaron su configuración para estudiar si la superradiancia también puede tener lugar en el vacío: ¿surgiría una señal electromagnética en su aparato incluso sin un campo magnético? Debido a que el experimento tuvo lugar a temperatura ambiente, las fluctuaciones térmicas eclipsaron las fluctuaciones de vacío, lo que significa que el equipo no pudo detectar directamente a este último. Pero ese mismo ruido de fondo térmico, los investigadores se dieron cuenta, generarían espontáneamente ondas electromagnéticas que teóricamente podrían amplificarse.
Y eso es lo que lograron demostrar: al elegir la velocidad de rotación adecuada del cilindro, generaron ondas electromagnéticas de la nada, por así decirlo. Su trabajo también confirmó el escenario “desactivado” predicho por Cardoso: el cilindro de metal pudo perder suficiente energía rotacional para detener la superradianza y evitar cualquier explosión.
Según Ulbricht, lo más especial del trabajo es su pura simplicidad. “Muchos físicos piensan que todos los experimentos simples ya se han realizado y que las nuevas ideas sobre los fundamentos de la física solo pueden provenir de proyectos muy complejos y muy costosos”, dice. “Probamos lo contrario”.
“No esperaba que alguien pudiera llevar a cabo tal experimento ahora”, dice Cardoso. El día que el nuevo trabajo se publicó en Arxiv.org, recuerda, estaba dando una serie de conferencias en la Universidad de Bangalore en la India. “Hablé sobre la superradiancia y le dije a la audiencia que nadie había demostrado la superradancia electromagnética o el efecto de la bomba en el laboratorio. ¡Así que puedes imaginar mi sorpresa cuando vi el periódico poco después!”
El nuevo trabajo podría conducir a ideas más profundas sobre los agujeros negros, dice Cardoso. “La superradianza es un efecto clásico poco conocido que juega un papel importante en la física de los agujeros negros”, explica. Por ejemplo, las partículas extremadamente ligeras, como los axiones o los tipos especiales de fotones considerados candidatos para la materia oscura, podrían absorber la energía de rotación de los agujeros negros, amplificando sus señales. “Esto significa que los agujeros negros pueden usarse como gigantescos detectores de partículas”, explica Cardoso. Con una bomba de Black Hole basada en laboratorio, los físicos podrían probar tales hipótesis con mayor precisión que nunca.
En el futuro, a Ulbricht le gustaría llevar a cabo la versión cuántica del experimento, lo que implicaría observar la generación espontánea de ondas electromagnéticas y su amplificación desde el vacío. Tales experimentos directos con fluctuaciones de vacío podrían abrir posibilidades completamente nuevas para la comunidad científica y el mundo, dice, lo que representa “un gran avance para la física”. Quizás, Ulbricht reflexiona, ese trabajo podría permitir a los investigadores “en unas pocas décadas entender si es posible, en principio, generar energía a partir del vacío, lo que sería una nueva fuente inagotable de energía”.