Un físico ha logrado simular un agujero negro en el laboratorio, haciendo una versión de la radiación de Hawking

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Después de todo, los agujeros negros finalmente no son tan negros como se creía. Al menos eso es lo que ha intentado demostrar un científico a partir de la simulación de estos majestuosos sumideros cósmicos.

Hace 40 años, el físico inglés Stephen Hawking predijo que los agujeros negros finalmente emiten radiación y son capaces  de evaporarse después de un cierto periodo de tiempo.

Después de siete años de un trabajo constante en solitario, Jeff Steinhauer, un físico experimental del Instituto de Tecnología de Israel en Halifa, ha creado un hoyo negro artificial que es capaz de emitir la llamada radiación de Hawking, a través de fluctuaciones cuánticas que emergen a partir del experimento que llevó a cabo.

Es prácticamente imposible observar la radiación de Hawking en un verdadero agujero negro, y experimentos previos con agujeros negros artificiales no han podido demostrar que éstas fluctuaciones cuánticas puedan existir, de tal suerte que el experimento que acaba de llevar a cabo Stenhauer sería el primero en su tipo en demostrar que esta radiación realmente existe (o no).

El autor del trabajo también sostiene que crear simulaciones de agujeros negros deben ayudar a resolver algunos de los dilemas que el fenómeno produce para otras teorías, como la llamada “paradoja de la información de los agujeros negros”; teoría que podría ayudar a unir la mecánica cuántica con una teoría sobre la gravedad.

Algunos físicos están impresionados por los nuevos resultados, aunque advierten que estos no son completamente claros. De hecho, algunos de ellos llegan a dudar de si creando agujeros negros en el laboratorio, estos pueden realmente simular a un agujero negro real. “Este experimento es realmente asombroso”, afirma Silke Weinfurtner, un físico teórico experimental de la Universidad de Nottingham en Inglaterra, quien señala también que “este experimento no prueba que la radiación de Hawking existe alrededor de agujeros negros”.

Fue a mediados de los años 70 que Hawking, un físico teórico de la Universidad de Cambridge, descubrió que el horizonte de sucesos de un agujero negro –una superficie donde nada, incluida la luz, puede escapar– tendría consecuencias tan peculiares para la física.

Su punto de partida fue que la aleatoriedad de la teoría cuántica descarta la existencia de verdadera nada. Aún la región más vacía del espacio está repleta de fluctuaciones en campos de energía, causando que pares de fotones aparezcan de forma continua, para luego destruirse mutuamente. Estos fotones virtuales podrían convertirse en verdaderas partículas si el horizonte de sucesos los separa antes de que se aniquilen el uno al otro. Uno de los fotones caería en el horizonte de sucesos y el otro escaparía en el espacio.

Esto, mostró Hawking, causa que los agujeros negros emitan radiación y finalmente entrarían en un proceso de contracción y, finalmente, desaparecerían, ya que la partícula que cae dentro del agujero tiene energía negativa que agota el agujero negro. Más controversial es el hecho de que Hawking sugiera que la desaparición de un agujero negro destruiría toda la información sobre objetos que caen dentro éstos, contradiciendo así la sabiduría popular que afirma que toda la información en el Universo permanece constante.

A principios de los años 80, el físico Bill Unurh de la Universidad de British Columbia en Vancuver, Canadá, propuso una manera de probar algunas de las predicciones de Hawking. Él imaginó un medio que experimentaba movimiento de aceleración, como el agua aproximándose a una caída o cascada. Como sucede con un nadador que llega a un punto donde él no puede nadar lo suficientemente rápido para escapar de la fuerza que produce la caída de agua en una cascada, las ondas de sonido que han pasado el punto en el que se supera la velocidad del sonido tampoco son capaces de moverse en contra de la corriente de agua. Unruh predijo que este punto es equivalente a un horizonte de eventos de un agujero negro, y esto debería de producir una forma de sonido de la radiación de Hawking.

Por otra parte, lo que hizo Jeff Steinhauer fue implementar la idea de Unruh en una nube de átomos de rubidio que congeló a una fracción de temperatura sobre el cero absoluto que es de -273 grados bajo cero. Contenida en una trampa con la forma de un cigarrillo de algunos milímetros de longitud, los átomos entraron en un estado cuántico llamado condensado Bose-Einstein (BEC), en donde la velocidad del sonido era solo de la mitad de un milímetro por segundo. Steinhauer creó un horizonte de sucesos acelerando los átomos hasta que algunos estuvieron viajando a más de 1mms-1: una velocidad supersónica para el condensado.

A esta temperatura ultra fría, el BEC sufre solo fluctuaciones cuánticas débiles que son similares a aquellas que se producen en el vacío del espacio. Y esto debe producir paquetes de sonido llamados “fonones”, algo parecido a lo que sucede cuando el vacío produce fotones (las partículas de la luz). Las partículas compañeras se deben de separar unas de otras, con un compañero del lado supersónico del horizonte y el otro formando la llamada radiación de Hawking.

En un lado de este evento de horizonte de sucesos, donde los átomos se mueven a velocidades supersónicas, los “fonones” quedan atrapados. Y cuando Steinhauer tomó fotografías del BEC, encontró correlaciones entre las densidades de los átomos que estaban a igual distancia del horizonte de sucesos pero en lados opuestos. Esto demostró que pares de fotones estaban entrelazados: un signo de que se originaron de forma espontánea de las mismas fluctuaciones cuánticas y que de esta manera el BEC produjo radiación de Hawking.

Por el contrario, la radiación que observó en una versión anterior del experimento debió de haber activado en lugar de emerger por si mismo del BEC, mientras que un experimento anterior en las ondas de agua dirigido por Unruh y Weinfurtner no intentó mostrar efectos cuánticos.

Así como los agujeros negros no son tan negros, los agujeros negros acústicos de Steinhauer no están completamente en silencio. Su sonido, si fuera posible escucharlo, podría asemejarse al ruido estático que podemos escuchar en una radio mal sintonizada.

Si los resultados de Stenhauer fueran confirmados, sería un triunfo para Hawking, quizá un descubrimiento de la misma importancia que el descubrimiento del Bosón de Higgs.

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Traducido y editado por Julio Moll. 

Referencia: http://www.nature.com/news/artificial-black-hole-creates-its-own-version-of-hawking-radiation-1.20430

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Los agujeros de gusano de la película Interestelar

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por Julio García. Uno de los planteamientos que más asombro ha causado en aquellos que hemos visto la película Interestelar, dirigida por Christopher Nolan y que se estreno en México apenas este mes de noviembre, es el hecho de que el tiempo se hace más lento cuando nos acercamos a objetos cuya fuerza de gravedad es tan poderosa, que es capaz de impedir que la luz pueda escapar de ellos.

La primera pregunta que nos haremos es: ¿por qué la luz no puedo escapar de las fauces de un agujero negro y sí de un cuerpo tan diminuto  como la Tierra? La respuesta es que la luz puede escapar de la Tierra porque su campo gravitatorio es muchísimo menos intenso que el campo de gravedad que ejerce un agujero negro. Por ejemplo, para que una nave pueda escapar del campo de gravedad de la Tierra se requiere que viaje a unos 11 km/s mientras que si quisiera escapar de un hoyo negro tendría que viajar a 300,000 km/s: exactamente la velocidad de la luz.

Otro de los planteamientos de Albert Einstein es que la la gravedad deforma el espacio tiempo en el que se encuentra, por lo tanto, el espacio estará mucho más deformado en el lugar que ocupa un agujero negro que en el que esté ocupado por un cuerpo como Júpiter o la propia Tierra que tiene proporciones de tamaño mucho menores.

Esta deformación, este cambio de estructura en el tejido del espacio tiempo,que podría ser imaginado como una gran campa elástica, es lo que provoca que la luz también se deforme cuando pasa cerca de un objeto tan masivo como un agujero negro.

Tal vez lo más interesante de todo es que no únicamente la luz se deforma, sino también el propio tiempo. En este sentido, nuestro universo está formado por cuatro dimensiones: tres de espacio (ancho, altura y profundidad) y una dimensión más que es el tiempo. El tiempo es visto, así, como una unidad más, como un elemento que se puede alterar en función del lugar en donde nos encontremos. De hecho esta noción del tiempo como elemento que se deforma puede ser comprobado empíricamente con el hecho de que un reloj que funcione en la Tierra irá más lento que uno que esté fuera de la atmósfera. Gracias a este planteamiento se ha podido comprobar que los sistemas de posicionamiento global (GPS) que se encuentran en el espacio están desincronizados con respecto a los mismos sistemas que se encuentran en la superficie de la Tierra. La desincronización, afortunadamente, es de apenas unas milésimas de segundo.

En este sentido, la idea básica de la Relatividad es, pues, decirnos que una persona que se encuentre cerca de un agujero negro –como lo hacen los científicos de la película que son llevados a través de un agujero de gusano a otra galaxia en busca de un planeta parecido a la Tierra para tratar de salvar a la especie humana de su propia extinción- envejecerá de forma mucho más lenta que una persona que se encuentre en la superficie de la Tierra. El hecho de envejecer más lentamente es producto de que el tiempo en nuestro planeta corre más rápido que cerca de la superficie de un agujero negro, de tal suerte que un minuto para una persona que esté cerca de un agujero negro representarán unos diez años para una persona que esté viviendo en la superficie de nuestro planeta.

Otro de los asuntos que se abordan en la película, utilizando efectos especiales verdaderamente maravillosos, es la posibilidad de viajar por el espacio interestelar a través de los agujeros de gusano, también conocidos como puentes Einstein-Rosen. Estos puentes surgen como consecuencia del establecimiento de la propia teoría de la Relatividad y mediante ellos se define que la materia, una nave espacial, por ejemplo, puede viajar de un punto a otro del universo a través de un camino muy corto. De hecho, los expedicionarios de la cinta viajan a través de Gargantúa (nombre ficticio del agujero de gusano por el que entran) para llegar a otra galaxia que se encuentra a varios miles de años luz, pero a la que logran llegar en tan solo unos cuantos minutos. El hecho de que una nave espacial o un objeto masivo viaje a través de un agujero de gusano es tan solo ficción, porque en la realidad dicho objeto se desintegraría tan solo al momento de traspasar el horizonte de sucesos del agujero. Al horizonte de sucesos podríamos representarlo como una membrana que divide al espacio exterior de lo que sucede dentro de un agujero negro. Todo lo que cae en este espacio es literalmente triturado y descompuesto. Pero algunos teóricos como Stephen Hawking han llegado a afirmar que los agujeros negros no son tan negros y que de ellos puede escapar algún tipo de radiación desconocida. Esta teoría del físico inglés no está aún comprobada.

Agujero de Gusano que une dos regiones del espacio-tiempo.

Lo que sí establece la teoría real es que los agujeros negros son producto de las explosiones de las estrellas. Por ejemplo, si una supergigante roja explota y envía al exterior gran cantidad de material, es muy probable que se convierta en una estrella de neutrones. Y si se comprime más puede llegar a convertirse en un agujero negro en el que, como hemos dicho, ni la luz ni cualquier forma de radiación puede escapar. Creemos que un agujero de gusano se podría formar cuando dos agujeros negros se unen a través de estos puentes Einstein-Rosen y que podrían unirse a través de una quinta dimensión que podría ser completamente desconocida para nosotros. En esta quinta dimensión el tiempo sería visto como una unidad, esto quiere decir que no habría una sucesión de hechos como sucede en la realidad, sino que el tiempo sería uno solo en donde los eventos sucederían todos al mismo tiempo.

¿Es esta quinta dimensión pura especulación? Evidentemente sí ya que hasta ahora nadie sabe que sucede dentro de un agujero negro y, mucho menos, en los hipotéticos puentes Einstein-Rosen que son pura ciencia ficción.

El universo temprano se calentó mucho después de lo que se creía

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Un nuevo estudio encabezado por científicos de la Universidad de Tel Aviv revela que los agujeros negros que se formaron a partir de las primeras estrellas del universo, calentaron el gas que los rodea mucho más tarde de lo que se creía. Los astrónomos pueden determinar esto gracias a la huella que en forma de ondas de radio dejan los agujeros negros cuando se tragan toda la materia que encuentran a su paso.

“Una de las más emocionantes fronteras en astronomía es la era de la formación de las primeras estrellas”, afirma el profesor Rennan Barkana de la Escuela de Física y Astronomía TAU. “Desde que el universo se llenó de  átomos de hidrógeno cuando era muy joven, surgió así uno de los métodos más prometedores para observar la época de las primeras estrellas a través de la medición del hidrógeno mediante ondas de radio”.

Al contrario de los arqueólogos que hay en la Tierra, que miran el pasado a través de los rastros que dejan los objetos, los astrónomos lo pueden mirar directamente dirigiendo sus telescopios hacia millones y millones de años atrás. Esto se debe a que la luz de los objetos distantes toma mucho tiempo en llegar a la Tierra, y los investigadores solo pueden ver la luz que emiten esos objetos. Esto significa que si los científicos ven muy hacia el pasado, es plausible que se encuentren y observen las características de objetos tal y como eran en el pasado. El nuevo descubrimiento de que el calentamiento cósmico ocurrió después de lo esperado significa que los observadores no necesitan buscar muy atrás en el tiempo.

Y es que el calor cósmico ofrece una manera de investigar directamente los primeros agujeros negros, los cuales pudieron haber estado en forma de pares o binarios. Este tipo de sistemas son pareas de estrellas en donde la más grande termina su vida con una explosión a la que los científicos denominan supernova. Esta explosión deja como resultado la presencia de un agujero negro. El gas de la estrella vecina es empujado hacia el recién formado agujero negro, emitiendo así grandes cantidades de energía en forma de rayos X. Esta radiación es capaz de alcanzar grandes distancias y se cree que es capaz de volver a calentar el gas cósmico. El descubrimiento que hace el nuevo estudio tiene que ver, precisamente, con el hecho de que el gas tarda en calentarse.

“Antes se creía que el calentamiento ocurría de forma muy temprana”, afirma el profesor Barkana, “pero hemos descubierto que este cuadro depende de la cantidad precisa de energía que generan los rayos X. Tomando en consideración las últimas observaciones de sistemas de agujeros negros binarios se puede concluir que la historia del calentamiento del universo es diferente a como la imaginábamos”.

Con la finalidad de detectar ondas de radio que provengan del hidrógeno que se formó cuando nació el universo, un grupo muy grande de astrónomos a comenzado a operar varios radiotelescopios ubicados en varias partes del mundo. Estos radiotelescopios han sido diseñados bajo la suposición que el calor cósmico ocurrió mucha antes de lo que este nuevo estudio indica, por lo que no podría ser observado. Sin embargo, el hecho de haber observado estos agujeros negros binarios significa que si es posible observar ese calentamiento de hidrógeno.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia:  Science Daily

Pequeños agujeros negros podrían crear materia oscura

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Los científicos siguen debatiendo el verdadero origen de la materia oscura, que es la encargada de que las galaxias permanezcan unidas. La pregunta que se hacen es si ésta materia esta hecha de partículas microscópicas o, por el contrario, de cuerpos macroscópicos.

Desde la perspectiva macroscópica, la materia oscura podría estar formada por agujeros negros muy pequeños que pudieron haberse creado en el universo temprano. Si esto es cierto, los astrónomos podrían detectar estos agujeros negros primordiales.

Pero lo más probable es que la materia oscura estaría formada por un nuevo tipo de partículas llamadas WIMP, las cuales interactuarían de forma muy débil con las fuerzas físicas que gobiernan las partículas a excepción de la gravedad, de tal suerte que la existencia de esta materia oscura solamente podría ser detectada indirectamente a partir de su efecto sobre la fuerza de gravedad (que es con la única fuerza con la que interacciona de manera más fuerte).

En este sentido, con la finalidad de detectar materia obscura, los científicos han utilizado una gran cantidad de aceleradores de partículas como el Fermi, el LHC (que se encuentra en Ginebra) y el Ice Cube (que está en la Antártida) y hasta el momento no se ha podido producir en los laboratorios.

Mediante estos aceleradores de partículas, se pretende saber cómo estos agujeros negros primordiales podrían ser candidatos potenciales de materia oscura. Hasta el momento, y utilizando el telescopio Kepler de la NASA, que se utiliza también para detectar planetas fuera del Sistema Solar, no se han podido detectar agujeros negros primordiales.

Durante 4 años, el investigador Kim Griest y sus colegas de la Universidad de California, han monitoreado aproximadamente 150,000 estrellas a una distancia de unos 3,200 años luz. Si un agujero negro primordial pasara en frente de una de estas estrellas, el astro pasaría a ser un poco más brillante de lo normal debido al afecto conocido como “lentes gravitacionales”, el cual fue descrito por Albert Einstein en su teoría de la Relatividad y el que hace referencia al hecho de que la luz tiende a curvarse cuando pasa enfrente de un objeto con gravedad.

Hasta el momento, con la tecnología actual, es difícil detectar estos pequeños agujeros negros que podrían tener el tamaño de la Tierra, pero se espera que en el año 2020, la Agencia Espacial Europea lance al espacio la nave Euclid, que se encargará de develar los misterios que aún existen sobre la aceleración del universo y la existencia de la energía y materia oscura.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy. 

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Encuentran la galaxia más compacta del universo

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En esta imagen destaca la presencia de la galaxia más densa encontrada hasta ahora: M60-UCD1, la cual está indicada con una flecha. La galaxia más grande, la que domina la fotografía, es M60. Esta fotografía ha sido posible gracias a la superposición de imágenes del Telescopio Chandra y del Telescopio Espacial Hubble. / Crédito: Space.com

La NASA ha podido encontrar, utilizando varios telescopios, lo que hasta ahora es la galaxia más densa del universo. Las estrellas, aquí, se encuentran 25 veces más cerca de lo que están en nuestra Vía Láctea.

Esta galaxia ha sido bautizada como M60-UCD1 y se encuentra a unos 54 millones de años luz de la Tierra y el Sol. Pesa tan solo 200 millones de veces más que nuestro astro y es por ello que es considerada una galaxia enana ultra-compacta.

Los científicos la han podido descubrir utilizando el telescopio Espacial Hubble, el telescopio Chandra (que también se encuentra en órbita) y el observatorio Keck que se encuentra en Hawaii.

Hay que señalar también que en el corazón de M60-UCD1 se encuentra una fuente muy brillante de rayos X que podría provenir de un gigantesco agujero negro que tendría unas 10 millones de veces la masa del Sol. Y si en verdad los rayos X provienen de este inmenso agujero negro, significaría que esta galaxia es un sobrante, representaría los deshechos, de una galaxia que era de 50 a 200 veces más grande.

“Los agujeros negros supermasivos no se encuentran en cúmulos de estrellas, de tal suerte que este agujero negro podría ser producto del choque entre galaxias cercanas”, afirma la NASA en un comunicado. “La masa de la galaxia y la abundancia de elementos químicos como los que produce el Sol, fortalecen la idea de que M60-UCD1 es un remanente de una galaxia más grande”.

La investigación completa apareció publicada el 20 de septiembre en la revista Astrophysical Journal Letters.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Live Science.

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