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Aquellos que tienen miedo de que el Large Hadron Collider (Gran Colisionador de Hadrones) cree un agujero negro que pudiera tragarse la Tierra, siguen pensando lo mismo, aunque el gigante acelerador de partículas está todavía fuera de línea. Esperemos que no hayan leído el último Physical Review Letters. Incluye un documento que explica cómo los investigadores de Dartmouth han descubierto la manera de crear un pequeño agujero negro en su laboratorio, sin necesidad del LHC.

En su documento, los investigadores muestran que un campo magnético-líneal de transmisión de impulsos de microondas que contengan una serie de dispositivos superconductores de interferencia cuántica, o calamares, no sólo reproduce la física similar a la radiación de un agujero negro. Lo hace en un sistema donde la alta la energía y las propiedades de la mecánica cuántica son bien conocidas y pueden ser directamente controladas en el laboratorio. El documento dice: “Así pues, en principio, esta configuración permite la exploración de los efectos analogicos gravitatorios cuánticos”.

“También podemos manipular la fuerza del campo magnético aplicado de modo que el “calamar” (superconductores de interferencia cuántica) serie puede ser usado COMO sonda de radiación del agujero negro, más allá de lo que fue considerado por Hawking”, dijo Miles Blencowe, autor y profesor de física y astronomía en el Dartmouth.
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Hasta ahora, los agujeros negros se clasificaban en dos tipos: Supermasivos y de masa estelar. Los primeros son colosales y pueden tener el tamaño de muchos millones de veces el del Sol. Los segundos son mucho más pequeños y cuentan con un tamaño similar al de una estrella. Por decirlo más sencillo, digamos que actualmente sólo se conocen los agujeros negros grandes y los pequeños. Sin embargo, parece que un equipo internacional de científicos del Centro de Estudios Espaciales des Rayonnements de Toulouse, ha encontrado agujeros negros intermedios (una especie de eslabón perdido entre los grandes y los pequeños), que posee un tamaño 500 veces superior al del Sol. Ha sido identificado a unos 290 millones de años luz y este hallazgo será muy valioso para entender estas misteriosas formaciones.

Ha sido bautizado como HLX-1 (Hyper Luminous X-Ray source 1) y se encuentra al borde de la galaxia ESO 243-49. Es ultra luminoso y emite un brillo de rayos X aproximadamente 260 millones de veces mayor que el del Sol. Gracias a observaciones hechas entre noviembre de 2004 y noviembre de 2008 por el telescopio espacial XMM-Newton, el equipo de astrofísicos pudo detectar el HLX-1 y mostrar que se trata de una fuente única de rayos X, y no de una superposición de objetos menos luminosos. El estudio ha aparecido en la revista Nature esta semana.

La presencia de este tipo de agujeros negros ya había sido discutida por la comunidad científica. En 1999, investigadores de la NASA anunciaron haber encontrado rastros de este nuevo tipo de agujero negro y se tenía cierta idea de sus características, pero con el descubrimiento de los astrónomos de Tolouse, se confirma su existencia o al menos se dispone de una prueba más sólida de ella. “Está ampliamente aceptada la teoría de que los agujeros negros de masa estelar se forman por la agonía de grandes estrellas, pero aún desconocemos como se forman los supermasivos”, comenta Sean Farrel, investigador de la Universidad de Leicester y uno de los autores del descubrimiento. “Una teoría es que pueden estar formadas por cierto número de agujeros negros intermedios, pero para probar esa teoría primero hay que probar su existencia”, agrega. Y concluyen los científicos diciendo que “es un importante paso adelante para entender la formación de los agujeros negros supermasivos que se hallan en el centro de la Vía Láctea y de otras galaxías”.

Esta teoría contrasta con la que afirma que los agujeros negros supermasivos se habrían formado por la acumulación de vastas cantidades de energía generadas durante la formación del universo. Javier Armentía, director del Planetario de Pamplona afirma que el debate se origina por la propia naturaleza de la astrofísica. “La parte teórica es bastante especulativa, se generan varias teorías y no siempre hay acuerdo”, explica. “Por eso es bueno que exista debate para dilucidarlo”, aclara. Según Armentía aún es pronto para calibrar el alcance del hallazgo. “El valor de estos descubrimientos sólo puede ser establecido en el futuro”.

Proponen una teoría muy especulativa según la cual las partículas elementales sería distintos estados de energía de miniagujeros negros.

Como no podemos investigar lo que ocurre a la escala de Planck el escenario es el idóneo para toda clase de teorías especulativas. De este modo han surgido las teorías de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles o la de símplices causales. Pero el campo parece ser muy fructífero.
Ahora Donald Coyne, de UC Santa Cruz, y D. C. Cheng, de Almaden Research Center en San José (California), especulan que quizás todas las partículas conocidas estén hechas de distintos tipos de agujeros negros. Aunque la idea es muy especulativa afirman que merecería la pena explorarla en el LHC y en otros experimentos de Física de altas Energías.
El problema de la gravedad es que es muy diferente de las demás fuerzas. A escala astronómica tiene gran relevancia, pero a pequeñas escala se puede ignorar perfectamente, principalmente porque la masa de las partículas elementales es muy pequeña. Se cree que a muy altas energías o a distancias muy pequeñas (en la escala de Planck) la gravedad sería comparable a las demás fuerzas en intensidad y se produciría lo que se ha llamado “gran unificación”.
En esta nueva aproximación al problema los autores proponen un modelo de evaporación de agujeros negros que, bajo ciertas circunstancias, vendría a decir que ciertos miniagujeros negros serían indistinguibles de las partículas elementales.

La evaporación de agujeros negros es un fenómeno teórico conocido desde hace décadas. La formación espontánea de pares partículas-antipartículas virtuales (permitida por el principio de incertidumbre) justo en el borde del horizonte de sucesos puede dar lugar a que una de las partículas caiga en el agujero mientras que la otra, al no poderse aniquilar de nuevo, emerja como partícula real. La partícula que cae lleva masa negativa que hace que el agujero negro pierda masa. Para un observador externo es como si el agujero negro se fuera “evaporando”. El proceso es más importante cuanto más ligero es el agujero negro, que gracias a este efecto no sería tan negro como en una primera aproximación pudiera parecer. Esta visión de los agujeros negros es una visión termodinámica y permite asignar una entropía y una temperatura a los mismos.
Un tema que se ha debatido mucho en este campo es si la información se conserva a lo largo del proceso. Si arrojamos una enciclopedia al agujero negro, ¿emergerá la información contenida en la misma de alguna forma durante proceso de evaporación del agujero? En Física se ha asumido que la información siempre se conserva (no hablamos aquí de la posibilidad práctica de su recuperación, sino de su recuperación teórica), pero durante mucho tiempo se ha mantenido que en este caso toda información desaparecería para siempre. Este es un tema polémico que incluso ha dado lugar a algunas apuestas.

Lo malo es que no contamos con una teoría de la gravedad cuántica terminada y aceptada. Aunque alguna de ellas, como la teoría cuántica de lazos, consigue describir bien la entropía de los agujeros negros no se ha avanzado lo suficiente en este campo, por lo que quedan muchas dudas sin despejar, incluyendo las relativas a agujeros negros.
En el nuevo modelo propuesto por Coyne y Cheng se asume que la gravedad es comparable a las demás fuerzas en la escala de Planck. Lo malo es que tampoco podemos explorar el régimen de Planck con la actual (ni futura) generación de aceleradores de partículas. En otras teorías recientes se invoca el efecto de las branas o de dimensiones extras para explicar por qué la gravedad es una fuerza tan débil. Estos teóricos proponen en su lugar explorar lo que debe de pasar en el horizonte de sucesos de agujeros negros con la suficiente temperatura como para que los efectos de la gravedad cuántica tenga relevancia.

Especulan que la estructura del espacio-tiempo en el horizonte de sucesos debe de ser mucho más compleja que lo que describe la Relatividad General y proponen la existencia de más grados de libertad para poder describir un estado cualquiera del mismo. Quizás el horizonte deje pasar información y, por tanto, los horizontes de sucesos dejen de serlo en el sentido estricto como dice la tradición.

Si la gravedad es realmente fuerte en las cercanías del horizonte debería de notarse y si no lo vemos es que debe de estar apantallada de alguna manera. De este modo la gravedad sería fuerte pero estaría apantallada de algún modo. Coyne y Cheng proponen precisamente un escenario que permite precisamente este apantallamiento. Se basa en principios de la termodinámica que describen agujeros a todas las escalas pero que las diferencias se manifiestan sólo a la escala de Planck. En un momento dado el modelo deja de describir la termodinámica de los agujeros negros clásicos y en su lugar describe un estado que se parece más y más a un objeto sujeto a la termodinámica tradicional.
De este modo, y según este nuevo modelo (denominado SSGS), la evaporación de un agujero negro está libre de infinitos y posee propiedades termodinámicas tradicionales después de sufrir un cambio de fase que conserva información.
Lo más fascinantes es que el modelo describe estados que para masas subplanckianas se comportan de manera normal y que esencialmente son idénticos a partículas elementales. Los autores justifican esta visión porque encuentran soluciones dinámicas que para estos estados que obedecen el principio de incertidumbre de Heisenberg y esto les permite comportarse como partículas.

Aplicando el modelo a miniagujeros negros se puede ver que la cuantización del espacio a esa escala significa que los miniagujeros negros pueden darse en una gran variedad de niveles de energía y en gran número. Esto permitiría que todas las partículas pudieran ser, esencialmente, distintos tipos de agujeros negros con diferentes estados de energía.
Según los autores, aunque a primera vista este escenario parece un tanto extraño, no lo es tanto porque es exactamente lo que uno esperaría de la evaporación completa de un agujero, que dejaría un remanente descrito por la mecánica cuántica. Se puede pensar que un agujero negro se transforma paulatinamente en una “partícula” inestable que va decayendo en otras partículas en el tiempo hasta llegar a ser una “partícula elemental”.

Los autores especulan que el modelo podría tener implicaciones sobre la energía y materia oscuras. Además sugieren que quizás los futuros experimentos del LHC puedan decir algo al respecto, pues este acelerador de partículas podría explorar energías a las que se formaran esta clase de miniagujeros negros.

A pesar de que en su nombre figura la palabra “agujero”, en realidad este tipo de objeto espacial no es un hueco, al menos no como lo concebimos en nuestro espacio normal. La teoría de la relatividad general enunciada por Albert Einstein en 1915 predijo la existencia de los agujeros negros por primera vez. En ese trabajo, Einstein propuso un modelo en el que la propia geometría del espacio-tiempo es afectada por la presencia de la materia. Es decir, predice que el espacio-tiempo se curvará en presencia de materia y que dicha curvatura será percibida por un observador como un campo gravitatorio, ya que dicha deformación espacial afectará la trayectoria de los cuerpos en movimiento y la trayectoria de la luz.

Por supuesto, los físicos pueden elaborar modelos matemáticos que intentan explicar qué es lo que ocurre dentro de estas extrañas regiones del universo. No se trata de un mero ejercicio intelectual, ya que esta debidamente comprobado que los agujeros negros existen, y que en el centro de la mayoría de las galaxias, entre ellas la Vía Láctea, hay agujeros negros supermasivos. La existencia de agujeros negros está apoyada en observaciones astronómicas, en especial a través de la emisión de rayos X por estrellas binarias y galaxias activas. La pregunta del millón es, por supuesto, qué ocurre dentro de uno de estos objetos.

Imaginemos un viajero espacial que se dirige en caída libre hacia un agujero negro. Si lo estamos mirando desde una distancia segura, por medio de un telescopio especial que nos permite observar semejante evento, veremos que nuestro viajero no alcanza nunca el radio de Schwarzschild -el horizonte de eventos- debido a que la dilación temporal aumenta a medida que se acerca a esa “frontera”, convirtiéndose en infinita en el borde mismo del horizonte de eventos. El astrónomo vería que el astronauta se acerca al borde cada vez más lentamente hasta detenerse, y su luz (imaginemos que emite una) sería cada vez más roja y tenue, ya que nos llega menos luz de él y su espectro se “corre” hacia el infrarrojo. En el momento que llegase al borde (teóricamente nunca, ya que habría que esperar infinitos años) ya no lo veríamos. Obviamente, las cosas cambian desde el punto de vista del viajero.

Según Einstein, todo es relativo, incluso los resultados de nuestras mediciones. La única excepción a esa regla es, por supuesto, la velocidad de la luz. Esto hace que las cosas sean bastante distintas desde el punto de vista de nuestro astronauta. Andrew Hamilton y Gavin Polhemus, dos científicos de la Universidad de Colorado, escribieron Black Hole Flight Simulator, un software capaz de aplicar las ecuaciones de Einstein para “mostrar” qué es lo que ocurre desde el punto de vista de este observador imaginario. En su modelo, el agujero negro tiene una masa equivalente a cinco millones de veces la de nuestro Sol. Eso es más o menos el tamaño estimado del que se encuentra en el centro de nuestra galaxia. A medida que el astronauta se acerca al radio de Schwarzschild, el universo comienza a deformarse ante sus ojos. La luz de las estrellas ubicuas “detrás” del agujero desaparece, y las que están a su alrededor con “torcidas” por la gravedad del agujero negro, formando una imagen similar a un tubo por el que se desplaza el observador.

Hamilton y Polhemus utilizan en su Black Hole Flight Simulator una cuadrícula de color rojo en el horizonte para ayudarnos a visualizar la forma en que el universo se deforma. Obviamente, como el campo visible para el astronauta es esférico y tu monitor es plano (al menos por ahora), hay dos círculos en la cuadricula representando los polos norte y sur del agujero negro. Ya sobre el borde del horizonte de sucesos, las cosas se comienzan a volver realmente extrañas. Tan cerca del centro del agujero negro que se encuentra en el centro del radio de Schwarzschild se experimentan poderosas fuerzas de marea. Suponiendo que te aproximas con los pies hacia delante, la fuerza de gravedad en tu cabeza seria mucho más débil que en tus pies. No solo te transformarías en una especie de spaghetti, sino que la luz a tu alrededor cambiaría de color. Por encima de tu cabeza todo se haría más rojo, y a tus pies el universo viraría al azul. En un momento determinado, de todo el universo solo podrías ver un anillo horizontal a la altura de tus ojos.

“Cuando un observador externo al radio de Schwarzschild observa el horizonte de un agujero negro”, dice Hamilton, “en realidad observa la emisión del horizonte. Cuando alguien cae a través del horizonte de eventos, no atraviesa la emisión del horizonte; en lugar de esto, pasaran a través de la entrada al mismo, la cual es invisible para ellos hasta que no lo traspasa. Una vez dentro del horizonte ve tanto la emisión como la entrada del horizonte”.

Actualmente no tenemos forma de comprobar –y quizás nunca la tengamos- si lo que muestra el Black Hole Flight Simulator es real. Va a ser difícil encontrar un voluntario para emprender semejante aventura, y mas difícil aún sería lograr enviar datos desde dentro del agujero negro. Pero hay algo que es cierto: se trata de una excitante aventura que alguna vez la humanidad emprenderá. Nuestros descendientes podrán finalmente decir si los modelos de Hamilton y Polhemus eran o no exactos. Mientras tanto, solo podemos imaginarlo.

Como ya sabes, esa teoría ha sido debidamente corroborada por otros físicos, e incluso se han obtenido muchas pruebas de que es perfectamente válida. Se ha demostrado, por ejemplo, que los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Esto se logró utilizando relojes atómicos (como los del Sistema de Posicionamiento Global), situados sobre la superficie terrestre y en órbita. También diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias viajando a gran velocidad han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general. Pero el hecho de que la masa pudiese deformar el universo hizo que rápidamente muchos científicos imaginaran lo que pasaría si la cantidad de masa en cuestión fuese lo suficientemente importante como para deformar el universo de tal manera que ni siquiera la luz pudiese “escapar” de su influencia. El resultado fueron los agujeros negros.

Los mini agujeros negros son unos objetos fascinantes introducidos en el mundo de la astrofísica y de la cosmología por Stephen Hawking. Recientemente, la posibilidad de producirlos artificialmente en el LHC ha sido considerada seriamente por ciertos físicos. ¿Que podríamos aprender sobre la estructura de nuestro Universo y sobre todo, representará un riesgo para nuestro planeta? Estas cuestiones serán abordadas desde Astroseti, y aquí tienen a modo de introducción el primer capítulo de ello.

Sabemos que el concepto de agujero negro es bastante antiguo ya que nos podemos remontar a Michell y Laplace pero, probablemente más que ningún otro, es Subrahmanyan Chandrasekhar el responsable de su introducción en el mundo de la física teórica y sobre todo de la astrofísica. En el espíritu del gran público, un agujero negro es ese monstruo voraz que lo atrae todo y del que nada puede escaparse. Sin embargo, si nuestro Sol debiera transformarse en agujero negro, su atracción sobre nuestro planeta sería idéntica y sólo en la zona que se extendería entre la superficie actual del Sol y la de la superficie del nuevo agujero negro, de un diámetro de menos de 10 km, la intensidad del campo de gravitación sería mucho mayor.

Nuestra estrella jamás se transformará en un agujero negro porque haría falta para ello que su masa fuera varias decenas de veces superior. En el caso de las estrellas que sobrepasan las 30 masas solares, es posible que algún día su corazón sobrepase la masa de Chandrasekhar que es de 1,4 veces la masa del Sol aproximadamente. Llegados a este punto de la evolución de las reacciones nucleares en ese corazón y en virtud de las leyes de la mecánica cuántica y de la relatividad, ninguna fuerza será capaz de oponerse a la gravitación y, si se exceptúa el caso de las estrellas de neutrones cuya masa limite es apenas más elevada, se producirá inevitablemente un hundimiento gravitacional en una singularidad, por lo menos en toda teoría que incluya la relatividad general de Einstein bajo su forma clásica y no cuántica.

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