Radiación Hawking y agujeros negros acústicos

Este mes de enero de 2017 la revista Muy Interesante, de la cual he sido fan desde pequeñito, ha publicado un artículo "muy interesante" sobre agujeros negros y la posibilidad de estudiarlos en laboratorio. La autora del artículo, Laura Chaparro, me pidió que opinara sobre el tema y ahora que su artículo ya está publicado, creo que es buen momento para extenderme en este blog con algunos detalles adicionales. Por supuesto, aquí sólo daré mi opinión. Para ver qué opinan otros expertos os recomiendo que leáis el artículo de Laura.

El interés en este tema surge de un artículo publicado por la revista Nature el pasado mes de agosto de 2016 (aquí una versión gratuita). En ese artículo, Jeff Steinhauer, físico experimental en el Instituto Tecnológico de Israel (Technion), describía un experimento suyo que podría representar la primera detección directa de una radiación análoga a la que hace ya  más de 40 años Stephen W. Hawking predijo que deberían emitir los agujeros negros. Intentaré explicar de manera resumida lo que se cuenta en aquel artículo.

Stephen Hawking y Jeff Steinhauer

Al contrario que otros físicos, los que trabajamos en gravitación estamos muy limitados a la hora de hacer experimentos. Cuando hablamos de entender o verificar propiedades cuánticas, muy sutiles, de objetos como los agujeros negros, la situación se complica aún más. Es por ello que cualquier simplificación o sistema más manejable que tenga comportamientos similares será de gran ayuda. Ahí es donde radica la importancia de encontrar situaciones reproducibles en laboratorio que permitan verificar si algunas de las predicciones fundamentales de nuestras teorías son reales o no. 

¿Qué descubrió Hawking? Hawking se planteó qué le ocurriría a un agujero negro si en el universo hubiera partículas con propiedades cuánticas (como los electrones y protones de los que estamos hechos, que son partículas cuánticas). Si las partículas NO fueran cuánticas, un agujero negro podría vivir eternamente. Su única diversión sería tragar cualquier cosa que pasara cerca de su horizonte de sucesos. Este horizonte es una superficie imaginaria que marca la separación entre "dentro y fuera". Una vez se cruza el horizonte ya no es posible salir.  Sorprendentemente, al considerar efectos cuánticos, el agujero negro comienza a emitir partículas cuánticas como si fuera un horno a cierta temperatura. Esta emisión implica que el agujero negro pierde energía y, por tanto, pierde masa. Aunque la pérdida de energía es minúscula, esperando suficiente tiempo, un agujero negro aislado debería evaporarse por completo, lo cual genera una serie de problemas conceptuales muy serios (pérdida de información cuántica) que aún están por resolver. 

Como hoy por hoy no es posible (ni aconsejable) ponerse a hacer experimentos cerca de un agujero negro, lo esencial para verificar si la radiación cuántica predicha por Hawking es real (o plausible) es tratar de encontrar situaciones en las que surjan "horizontes" en escenarios con propiedades cuánticas. Ahí es donde entran en juego los llamados "horizontes acústicos". En lugar de fabricar agujeros negros con todas sus complicaciones, es más factible generar horizontes y estudiar sus propiedades.

Si nada puede escapar de un agujero negro, todo debe salir de un agujero blanco. La región plana de esta imagen muestra un análogo de agujero blanco. El anillo a partir del cual aparecen ondas sería el horizonte de sucesos del agujero blanco.

El horizonte de sucesos de un agujero negro tiene un efecto similar al del agua de un río cerca de una catarata. Como la velocidad del agua aumenta al acercarnos a la catarata, si no nadamos a contracorriente lo suficientemente rápido, el agua nos arrastrará. El lugar donde la velocidad del nadador es igual a la "velocidad de arrastre" marca lo que sería el horizonte. Si en lugar de un nadador en un río consideramos la propagación de ondas acústicas (sonido)  en un fluido en movimiento, entonces hablamos de un horizonte acústico: habrá un lugar a partir del cual el sonido es arrastrado por el flujo, sin posibilidad de escapar contracorriente. Ningún ruido producido en esta región interna podrá ser percibido por encima del horizonte acústico.

Jeff Steinhauer lleva años tratando de demostrar experimentalmente que los horizontes acústicos producidos en fluidos cuánticos en movimiento emiten radiación similar o análoga a la que Hawking predijo para los agujeros negros astrofísicos. Los cálculos de Hawking demuestran que la intensa gravedad de un agujero negro puede crear pares de partículas a partir del vacío cuántico. Uno de los miembros del par surge en la parte externa del horizonte y consigue escapar, mientras que el otro elemento del par cae hacia el interior. La energía necesaria para crear el par de partículas la proporciona el agujero negro, y como uno de los miembros escapa, el agujero negro pierde masa (que es una forma de energía). Esto implica que los agujeros negros se evaporan.

Las partículas que componen cada par están correlacionadas, es decir, tienen propiedades complementarias: si la partícula que sale tiene carga positiva y gira sobre sí misma en el sentido de las agujas del reloj, entonces la que cae al agujero negro debe tener  carga negativa y girar en el sentido opuesto. Este ejemplo ilustra que lo que cae y lo que sale no son independientes, sino que están ligados (o correlacionados).

En el caso de los agujeros negros astrofísicos, sólo sería posible medir el flujo de partículas que salen despedidas desde el horizonte hacia el exterior, pues una vez cruzado el horizonte no habría posibilidad de salir de él. Si alguien intentase medir lo que hay en el interior, no sobreviviría para contarlo ni podría transmitir esa información a nadie en el exterior. Sin embargo, en los horizontes de laboratorio (acústicos en nuestro caso) no existe ese problema, por lo que pueden plantearse otro tipo de medidas que involucren tanto a la radiación que sale del horizonte como a la que cae dentro de él. Steinhauer ha aprovechado esta vía para “alcanzar” su objetivo.

Horizonte acústico y su correspondencia con un agujero negro.

¿Cómo fabricamos un horizonte acústico? Esto se puede visualizar pensando en una tubería por la que fluye un cierto líquido o gas y cuyo grosor se estrecha a partir de un cierto punto. Al estrecharse el tubo, la velocidad del fluido aumenta. Si ese aumento es tal que el fluido se mueve más rápido que el sonido, entonces hemos formado un horizonte acústico. Si esto ya parece difícil de por sí, ¡imaginaos si hay que hacerlo con un fluido cuántico!

En lugar de un fluido cualquiera, Steinhauer ha utilizado un condensado de Bose-Einstein (BEC, por sus siglas en inglés). El BEC es un estado de la materia que surge cuando un líquido o gas muy diluido se enfría a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.1 ºC). En esas condiciones, el sistema manifiesta propiedades cuánticas sin necesidad de tener un tamaño microscópico. 

Haciendo barridos con un láser a través del BEC es posible generar un horizonte acústico. Al tratarse de un fluido cuántico, por mecanismos similares a los que descubrió Hawking, se crean pares de partículas correlacionadas a ambos lados del horizonte.  En el caso del BEC, las “partículas” (o excitaciones elementales del medio) generadas por el horizonte se llaman fonones, y representan a las “ondas acústicas” elementales (o sonido) que se propagan por el condensado [aquí es útil notar que si las ondas electromagnéticas (luz) tienen asociada una partícula cuántica llamada fotón, las ondas acústicas pueden verse como hechas de fonones]. Esas ondas acústicas generan pequeñas fluctuaciones en la densidad del condensado a ambos lados del horizonte. Midiendo esas pequeñas fluctuaciones y estudiando las correlaciones que existen entre ellas (a ambos lados del horizonte), Steinhauer ha encontrado indicios compatibles con lo que se esperaría si el horizonte acústico generase radiación Hawking.

Correlaciones medidas por Steinhauer (izquierda) comparadas con la predicción teórica (derecha).

Hay que tener en cuenta que los fonones de radiación Hawking en el BEC se podrían mezclar/combinar con muchas otras fuentes de ruido (ondas acústicas) presentes en el BEC. Medir estas cosas y extraer de ahí la señal que corresponde a la radiación Hawking no es nada fácil. Por esta razón es tan importante estudiar las correlaciones entre los dos lados del horizonte, porque los pares de partículas de la radiación Hawking tienen unas correlaciones muy características. Steinhauer ha medido un patrón de correlaciones compatible con lo que se esperaría en un condensado de este tipo si hubiera radiación Hawking. Tratar de medir sólo la radiación saliente es, hoy por hoy, imposible. Es por ello que hay que recurrir al estudio de las correlaciones a ambos lados del horizonte.

Aunque la interpretación de los datos experimentales ha sido criticada duramente por otros expertos en el tema, lo importante es que el estudio de las propiedades cuánticas de horizontes ya no es una cuestión puramente matemática. El salto al laboratorio ha sido posible gracias al ingenio de algunos físicos teóricos y a la habilidad de otros tantos físicos experimentales. El procedimiento a seguir en laboratorio está bien definido desde hace ya varios años y, a mi entender, Steinhauer ha conseguido verificar la existencia de radiación Hawking. Por supuesto, es necesario repetir los experimentos para verificar las observaciones y mejorarlos para confirmar con mayor precisión las predicciones teóricas. Lo que aprendamos en el camino nos ayudará a entender mejor la naturaleza y nos hará vivir momentos muy emocionantes.

Texto de Gonzalo Olmo (@gonzalo_olmo).