En 1974, Stephen Hawking teorizó que los monstruos gravitacionales más oscuros del universo, los agujeros negros, no eran los tragadores de estrellas negros como el lobo imaginaban los astrónomos, sino que emitían luz espontáneamente, un fenómeno que ahora se conoce como radiación de Hawking.
El problema es que ningún astrónomo ha observado jamás la misteriosa radiación de Hawking, y debido a que se predice que será muy tenue, es posible que nunca lo hagan. Por eso, los científicos de hoy están creando la suya propia. agujeros negros .
Los investigadores del Technion-Israel Institute of Technology hicieron precisamente eso. Crearon un análogo de agujero negro de unos pocos miles átomos . Estaban tratando de confirmar dos de las predicciones más importantes de Hawking, que la radiación de Hawking surge de la nada y que no cambia de intensidad con el tiempo, lo que significa que es estacionaria.
"Se supone que un agujero negro irradia como un cuerpo negro, que es esencialmente un objeto cálido que emite una constante radiación infrarroja , "coautor del estudio, Jeff Steinhauer, profesor asociado de física en el Technion-Israel Institute of Technology, le dijo a Phys.org . "Hawking sugirió que los agujeros negros son como estrellas regulares, que irradian un cierto tipo de radiación todo el tiempo, constantemente. Eso es lo que queríamos confirmar en nuestro estudio, y lo hicimos".
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El horizonte de eventos
El gravedad de un agujero negro es tan poderoso que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance, una vez que un fotón, o partícula de luz, cruza más allá de su punto de no retorno, llamado horizonte de eventos . Para escapar de este límite, una partícula tendría que romper las leyes de la física y viajar más rápido que la velocidad de la luz.
Hawking mostró que aunque nada que cruza el horizonte de eventos puede escapar, los agujeros negros aún pueden emitir luz espontáneamente desde el límite, gracias a la mecánica cuántica y algo llamado "partículas virtuales".
como lo explica Heisenberg principio de incertidumbre , incluso el vacío completo del espacio está repleto de pares de partículas 'virtuales' que aparecen y desaparecen. Estas partículas fugaces con energías opuestas generalmente se aniquilan entre sí casi de inmediato. Pero debido a la atracción gravitacional extrema en un horizonte de eventos, Hawking sugirió que los pares de fotones podrían separarse, con una partícula absorbida por el agujero negro y la otra escapando al espacio. El fotón absorbido tiene energía negativa y resta energía en forma de masa del agujero negro, mientras que el fotón escapado se convierte enRadiación de Hawking. Solo de esto, con suficiente tiempo mucho más largo que la edad del universo, un agujero negro podría evaporarse por completo.
"La teoría de Hawking fue revolucionaria porque combinó la física de la teoría cuántica de campos con la teoría general relatividad , "la teoría de Einstein que describe cómo se deforma la materia espacio-tiempo , Steinhauer le dijo a Rhythm89. "Todavía está ayudando a la gente a buscar nuevas leyes de la física al estudiar la combinación de estas dos teorías en un ejemplo físico. A la gente le gustaría verificar esta radiación cuántica, pero es muy difícil con un agujero negro realporque la radiación de Hawking es tan débil en comparación con la radiación de fondo del espacio ".
Este problema inspiró a Steinhauer y sus colegas a crear su propio agujero negro, uno más seguro y mucho más pequeño que el verdadero.
agujero negro de bricolaje
El agujero negro cultivado en laboratorio de los investigadores estaba hecho de un flujo de gas de aproximadamente 8.000 rubidio átomos enfriados a casi cero absoluto y mantenidos en su lugar por un rayo láser. Crearon un estado misterioso de la materia, conocido como a condensado de Bose-Einstein BEC, que permite que miles de átomos actúen juntos al unísono como si fueran uno solo átomo .
Usando un segundo rayo láser, el equipo creó un acantilado de energía potencial , lo que provocó que el gas fluyera como agua corriendo por una cascada, creando así un horizonte de eventos donde la mitad del gas fluía más rápido que el velocidad del sonido , la otra mitad más lenta. En este experimento, el equipo estaba buscando pares de fonones u ondas de sonido cuánticas, en lugar de pares de fotones, que se forman espontáneamente en el gas.
Un fonón en la mitad más lenta podría viajar contra el flujo de gas, alejándose del acantilado, mientras que el fonón en la mitad más rápida quedó atrapado por la velocidad del gas que fluye supersónico, explicó Steinhauer. "Es como intentar nadar contra uncorriente que es más rápida de lo que puedes nadar. [Eso es] como estar en un agujero negro, una vez que estás dentro, es imposible alcanzar el horizonte ".
Una vez que encontraron estos pares de fonones, los investigadores tuvieron que confirmar si estaban correlacionados y si la radiación de Hawking permanecía constante en el tiempo si era estacionaria. Ese proceso era complicado porque cada vez que tomaban una fotografía de su agujero negro,fue destruido por el calor creado en el proceso. Así que el equipo repitió su experimento 97.000 veces, tomando más de 124 días de mediciones continuas para encontrar las correlaciones. Al final, su paciencia dio sus frutos.
"Demostramos que la radiación de Hawking era estacionaria, lo que significa que no cambió con el tiempo, que es exactamente lo que predijo Hawking", dijo Steinhauer.
Los investigadores detallaron sus hallazgos el 4 de enero en la revista Física de la naturaleza .
Publicado originalmente en Rhythm89.
Nota del editor: este artículo se actualizó para incluir "analógico" en el título para garantizar que los lectores sepan que el experimento se realizó con un análogo de un agujero negro, no un agujero negro real. El artículo también se actualizó para señalar que elLa primera cita se informó a Phys.org, no estaba en un comunicado de prensa.