El Enigma de los Agujeros Negros: Simulación en Laboratorio y la Radiación de Hawking

Aunque los científicos se acercan cada vez más a comprender la naturaleza de los agujeros negros, estos fascinantes objetos cosmológicos no dejan de ser misteriosos. Los agujeros negros son concentraciones de materia tan densas que ni siquiera la luz puede escapar. Esta área de materia extremadamente compacta, conocida como la singularidad, está rodeada por un límite llamado horizonte de sucesos: la ‘superficie’ del agujero negro y el punto más allá del cual la velocidad requerida para escapar excede la velocidad de la luz. Dado que nada es más rápido que la luz, nada puede escapar de un agujero negro una vez que cae dentro del horizonte de sucesos.

Desafortunadamente (o afortunadamente, según se mire), no podemos acercarnos lo suficiente para estudiar realmente un agujero negro. El ejemplo conocido más cercano, Gaia BH1, está a unos 1,500 años luz de la Tierra, y fue recién en 2019 que los astrónomos capturaron la primera imagen borrosa de un agujero negro, un objeto que se parecía alarmantemente al Ojo de Sauron de “El Señor de los Anillos”.

Pero, resulta que no necesariamente necesitamos viajar 1,500 años luz para acercarnos a un fenómeno cosmológico tan imponente. Al menos, no necesitamos viajar tan lejos para experimentar un horizonte de sucesos. En 2022, físicos lograron simular un agujero negro en el laboratorio y, como era de esperar, las cosas se pusieron extrañas muy rápidamente.

Creando un horizonte de sucesos en la Tierra

En noviembre de 2022, un equipo de físicos de la Universidad de Ámsterdam en los Países Bajos creó una versión de un horizonte de sucesos en el laboratorio. Sus hallazgos fueron presentados en un artículo titulado “Thermalization by a synthetic horizon”, publicado en Physical Review Research. Como se podría imaginar, crear un agujero negro en un laboratorio es más que un poco complejo, pero, en pocas palabras, los investigadores lograron simular el horizonte de sucesos de un agujero negro utilizando una cadena de átomos.

Dirigido por la investigadora de doctorado Lotte Mertens, el grupo dispuso una cadena de átomos en fila única que manipularon para simular el horizonte de sucesos de un agujero negro. Específicamente, los investigadores ajustaron la facilidad con la que los electrones podían saltar de un átomo a otro, creando así un horizonte de sucesos sintético. Después de esto, el equipo manipuló la cadena de átomos para que una parte de ella cruzara el horizonte de sucesos que habían creado y notaron un pico en la temperatura como resultado. Quizás más significativo fue el hecho de que los investigadores vieron que su horizonte de sucesos simulado comenzó a brillar, lo que proporciona una evidencia adicional de un fenómeno conocido como radiación de Hawking.

La radiación de Hawking y el horizonte de sucesos

En 1974, el físico Stephen Hawking propuso un concepto teórico que se conoció como “radiación de Hawking”. En términos simples, se refiere a la creación de partículas en el horizonte de sucesos de un agujero negro. Se cree que estas partículas son causadas por la inmensa atracción gravitatoria de los agujeros negros que deforma el espacio-tiempo y provoca perturbaciones en algo llamado campo cuántico.

El campo cuántico es un término que en realidad se refiere a múltiples campos omnipresentes en todo el universo. El concepto propone que, a la escala más pequeña, nuestro universo está compuesto por diferentes campos —al igual que el campo magnético— de modo que incluso cuando parece no haber nada presente en el espacio-tiempo, en realidad hay un vasto campo de materia y energía en forma de diversos campos cuánticos. Cuando ocurren perturbaciones o excitaciones en estos campos y se forman ondulaciones, lo que conocemos como partículas se crea. En otras palabras, una partícula es solo una ondulación en un determinado campo. Pero incluso sin grandes perturbaciones, los campos cuánticos están produciendo constantemente lo que se conoce como “partículas virtuales”: pares de partícula y antipartícula que aparecen y desaparecen continuamente.

Hawking se centró en la idea de que este proceso se desarrolla justo al borde del horizonte de sucesos de un agujero negro. El físico teorizó que si, después de que un par de partículas virtuales se producen en el borde del horizonte, una pudiera cruzar el horizonte de sucesos y quedar atrapada en el agujero negro, mientras que su contraparte permanecería existiendo fuera del horizonte de sucesos. Esta partícula restante es lo que se conoce como radiación de Hawking y es clave para los hallazgos del experimento de Ámsterdam.

La importancia de la radiación de Hawking

Dado que la humanidad nunca ha observado realmente un agujero negro o su horizonte de sucesos de cerca, la radiación de Hawking nunca ha sido presenciada. Incluso si pudiéramos acercarnos lo suficiente a un agujero negro para observar el horizonte de sucesos, la cantidad de fotones que Hawking predijo se considera diminuta, lo que significa que probablemente serían inobservables para el ojo humano y ciertamente no causarían una reacción lo suficientemente fuerte como para que nuestros telescopios la detectaran.

Por eso el experimento de Ámsterdam es tan intrigante. Se cree que la creación de partículas de radiación de Hawking resulta en un débil brillo de radiación similar a la radiación térmica, un brillo como el que presenciaron los investigadores. Esencialmente, aunque no fue la primera vez que se creó un análogo de agujero negro en un laboratorio, el experimento fue la primera vez que los investigadores pudieron ajustar un análogo de horizonte de sucesos para producir radiación, lo que añade más evidencia a favor de la teoría de Stephen Hawking.

Los físicos están interesados en explorar la radiación de Hawking ya que tiene implicaciones para las dos principales teorías que explican cómo funciona la naturaleza. Una es la teoría general de la relatividad —uno de los principales avances de Albert Einstein— que describe la fuerza de la gravedad y el mundo natural a nivel macro. La otra es la mecánica cuántica, que describe el comportamiento de las partículas a nivel subatómico y abarca las fuerzas del electromagnetismo y las dos fuerzas nucleares. Ambas teorías han permanecido incompatibles desde su concepción, lo que impulsa a los científicos a buscar una única teoría unificada, también conocida como teoría del todo, para explicar cómo funciona la realidad. La radiación de Hawking combina elementos de ambas teorías y, por lo tanto, es un concepto extremadamente emocionante que podría contener respuestas a algunos de los mayores problemas que enfrentan los físicos. Este último experimento es otro paso hacia el cierre de la brecha entre las dos teorías.