¡Eureka! Científicos exploran los misterios de los agujeros negros con una bañera de alta tecnología | La física
Al final de un pasillo anodino en la Universidad de Nottingham hay una puerta etiquetada simplemente como: Laboratorio Black Hole. En el interior, se está realizando un experimento en una gran bañera de alta tecnología que podría ofrecer una visión única de las leyes de la física que gobiernan la realidad.
El laboratorio está dirigido por la profesora Silke Weinfurtner, pionera en el campo de la gravedad analógica, cuyo trabajo ha demostrado extraños paralelismos entre las matemáticas que describen los sistemas de fluidos en la Tierra y algunos de los entornos más extremos e inaccesibles del universo.
«Es fácil sentirse intimidado al pensar en los agujeros negros. Todos los efectos predichos alrededor de los agujeros negros parecen tan extraños, tan extraños, tan diferentes», dice. «Entonces ayuda recordar, ‘Espera un minuto. Segundo, está sucediendo en mi bañera Tal vez no sea tan extraño después de todo.
Previamente, el equipo de Weinfurtner usó la configuración de la bañera para estudiar la radiación de Hawking, un proceso por el cual se cree que los agujeros negros se «evaporan» y eventualmente desaparecen. Ella y sus colegas están trabajando actualmente en un simulador más avanzado, que creen que proporcionará información aún más sofisticada sobre el comportamiento de los agujeros negros.
El flujo de fluido en un tapón imita, en un sentido matemático, la curvatura del espacio-tiempo por el campo gravitatorio extremo de un agujero negro. Fotografía: Fabio de Paola/The Guardian
“Todos estos efectos son extremadamente hermosos y fundamentalmente importantes”, dice ella. “Por ejemplo, ¿se evaporará un agujero negro o permanecerá allí por la eternidad?
La idea básica es que el flujo de fluido en un pozo imita, en un sentido matemático, la curvatura del propio espacio-tiempo por el campo gravitatorio extremo de un agujero negro.
“La física se repite en muchos lugares. Es un conjunto de modelos matemáticos que son muy universales. Y si las matemáticas son las mismas, la física debería ser la misma”, dice Weinfurtner. “Para mí, los análogos son un regalo de la naturaleza. Hay toda una clase de sistemas que tienen los mismos procesos físicos.
Weinfurtner cree que los paralelismos entre las dos situaciones deberían explotarse para explorar qué sucede cuando interactúan los campos gravitatorios y cuánticos. Podría decirse que esta ha sido la búsqueda central de la física durante el último siglo. Las teorías gravitacional y cuántica funcionan bien individualmente, y eso suele ser suficiente para describir el mundo que nos rodea porque a gran escala la gravedad tiende a dominar, mientras que a escala atómica dominan los efectos cuánticos.
Pero en los agujeros negros, donde mucha masa se concentra en una región muy pequeña del espacio, estos mundos chocan y no existe un marco teórico que los unifique.
La configuración de helio superfluido para el simulador de agujeros negros. Fotografía: Fabio de Paola/The Guardian
«Tenemos una gran comprensión de ambos individualmente, pero está resultando extremadamente difícil combinar estas dos teorías», dice Weinfurtner. «La idea es que queremos entender cómo se comporta la física cuántica, en lo que llamamos geometría espacio-temporal curva».
En la nueva configuración, el agujero negro está representado por un pequeño vórtice dentro de una campana de helio superfluido, enfriado a -271°C. A esta temperatura, el helio comienza a demostrar efectos cuánticos. A diferencia del agua, que puede girar a un rango continuo de velocidades, el vórtice de helio solo puede girar a ciertos valores fijos. Las ondas enviadas a la superficie del helio, seguidas con precisión nanométrica por láseres y una cámara de alta resolución, representan la radiación que se acerca a un agujero negro.
Weinfurtner planea usar la configuración para estudiar un fenómeno conocido como superradiancia, una predicción aparentemente paradójica de que la radiación que está cerca de un agujero negro (sin viajar lejos del horizonte de sucesos) puede desviarse con más energía que la que tenía en el A través de este proceso, la energía se puede extraer de un agujero negro, lo que reduce gradualmente su rotación.
Este fenómeno ha sido teóricamente predicho, pero nunca observado. Y es posible, dice Weinfurtner, que un agujero negro giratorio pueda mostrar efectos cuánticos similares a los observados en el helio superfluido.
El simulador también podría usarse para hacer predicciones sobre la radiación de Hawking y las señales de ondas gravitacionales enviadas a través del universo desde la fusión de agujeros negros que pueden ser detectados por el detector de ondas gravitacionales LIGO.
Los experimentos de gravedad analógica se consideraban, hasta hace poco, una parte marginal de la comunidad física, pero ahora están ganando popularidad, según Weinfurtner. El simulador de agujeros negros con helio fue financiado con una subvención de 5 millones de libras esterlinas, compartida entre equipos de siete importantes instituciones del Reino Unido (incluida la de Weinfurtner). Colaboradores de la Universidad de Cambridge simulan los primeros momentos tras el big bang.
El enfoque tiene críticos que cuestionan si, a pesar de los notables paralelismos matemáticos, los sistemas fluidos realmente pueden proporcionar conocimientos fundamentalmente nuevos sobre los procesos cosmológicos. Weinfurtner no se inmuta y señala que la física de ondas gravitacionales tuvo detractores hasta que se realizó la detección innovadora y que su trabajo también es valioso en el campo de los superfluidos. «Muchas cosas han sido controvertidas en el pasado, que ahora damos por sentadas», dice ella.
