¡Eureka! Los científicos exploran los misterios de los agujeros negros con alta

Investigadores de la Universidad de Nottingham están simulando agujeros negros con un pequeño vórtice dentro de una campana de helio superfluido.

Al final de un pasillo anodino en la Universidad de Nottingham hay una puerta con la etiqueta simplemente: Laboratorio de Agujeros Negros. En su interior, se está llevando a cabo 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 asombrosos paralelismos entre las matemáticas que describen los sistemas de fluidos de la Tierra y algunos de los entornos más extremos e inaccesibles del universo.

“Es fácil sentirse intimidado cuando se piensa en los agujeros negros. Todos los efectos que se predice que ocurrirán alrededor de los agujeros negros parecen tan extraños, tan raros, tan diferentes”, dice. “Entonces es útil recordar: 'Espera un segundo, esto sucede en mi bañera'. Quizás no sea tan extraño después de todo'”.

Anteriormente, el equipo de Weinfurtner había utilizado la configuración de la bañera para investigar la radiación de Hawking, un proceso mediante el cual se predice que los agujeros negros se “evaporan” y eventualmente desaparecen. Ella y sus colegas están trabajando ahora en un simulador más avanzado, que creen que proporcionará información aún más sofisticada sobre el comportamiento de los agujeros negros.

"Todos estos efectos son tremendamente bellos y de fundamental importancia", afirma. "Por ejemplo, ¿un agujero negro se evapora o simplemente permanecerá allí por la eternidad?"

La idea básica es que el flujo de fluido por un desagüe imita, en un sentido matemático, la curvatura del espacio-tiempo mismo por el campo gravitacional 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”, afirma Weinfurtner. “Para mí, los análogos son un regalo de la naturaleza. Hay toda una clase de sistemas que poseen los mismos procesos físicos”.

Weinfurtner cree que se deben aprovechar los paralelos entre las dos situaciones para explorar qué sucede cuando interactúan los campos gravitacionales y cuánticos. Podría decirse que ésta ha sido la búsqueda central de la física durante el siglo pasado. Las teorías gravitacional y cuántica funcionan bien individualmente, y esto suele ser suficiente para describir el mundo que nos rodea porque a grandes escalas la gravedad tiende a dominar, mientras que a escalas atómicas gobiernan los efectos cuánticos.

Pero en los agujeros negros, donde hay mucha masa apiñada en una región muy pequeña del espacio, estos mundos chocan y no existe un marco teórico que los unifique.

"Tenemos un gran conocimiento de ambas teorías individualmente, pero resulta extremadamente difícil combinar estas dos teorías", afirma Weinfurtner. "La idea es que queremos entender cómo se comporta la física cuántica, en lo que llamamos una geometría curva del espacio-tiempo".

En la nueva configuración, el agujero negro está representado por un pequeño vórtice dentro de una campana de helio superfluido, enfriada 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 sólo puede girar a ciertos valores fijos. Las ondas enviadas a través de la superficie del helio, rastreadas con precisión nanométrica mediante láseres y una cámara de alta resolución, representan la radiación que se acerca a un agujero negro.

Weinfurtner planea utilizar la instalación para investigar un fenómeno conocido como superradiancia, una predicción aparentemente paradójica de que la radiación que llega a las proximidades de un agujero negro (sin desviarse del horizonte de sucesos) puede desviarse con más energía que la que tenía en el mismo. A través de este proceso, se puede extraer energía de un agujero negro, haciendo que su rotación se ralentice gradualmente.

Este fenómeno ha sido predicho teóricamente, pero nunca observado. Y es posible, dice Weinfurtner, que un agujero negro en rotación pueda mostrar efectos cuánticos similares a los que se observan 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 detectadas por el detector de ondas gravitacionales LIGO.

Los experimentos de gravedad analógicos se consideraban hasta hace poco un elemento marginal de la comunidad física, pero ahora están ganando popularidad, según Weinfurtner. El simulador de agujero negro 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 están simulando los primeros momentos después del big bang.

El enfoque tiene críticos que cuestionan si, a pesar de los notables paralelos matemáticos, los sistemas de fluidos realmente pueden proporcionar conocimientos fundamentalmente nuevos sobre los procesos cosmológicos. Weinfurtner no se inmuta y señala que la física de las ondas gravitacionales tuvo detractores hasta que se realizó la detección del avance y que su trabajo también tiene valor en el campo de los superfluidos.

"Muchas cosas han sido controvertidas en el pasado, pero ahora las damos por sentado", afirma.