Los agujeros negros son notables por muchas cosas, especialmente por su simplicidad. Son solo ... agujeros. Son "negros". Esta simplicidad nos permite trazar paralelismos sorprendentes entre los agujeros negros y otras ramas de la física. Por ejemplo, un equipo delos investigadores han demostrado que un tipo especial de partícula puede existir alrededor de un par de agujeros negros de forma similar a como puede existir un electrón alrededor de un par de átomos de hidrógeno - el primer ejemplo de una "molécula gravitacional". Este extraño objeto puede darnos pistas sobre la identidad de materia oscura y la naturaleza última de espacio-tiempo .
Arando el campo
Para comprender cómo la nueva investigación, que se publicó en septiembre en la base de datos de preimpresión arXiv , explica la existencia de una molécula gravitacional, primero tenemos que explorar uno de los aspectos más fundamentales, y sin embargo, lamentablemente casi nunca se habló, de la física moderna: el campo.
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Un campo es una herramienta matemática que le dice lo que puede esperar encontrar mientras viaja de un lugar a otro en el universo. Por ejemplo, si alguna vez ha visto un informe meteorológico de televisión sobre las temperaturas en su área local,Estás viendo una representación de un campo amigable para el espectador: mientras viajas por tu ciudad o estado, sabrás qué tipo de temperaturas es probable que encuentres y dónde y si necesitas traer una chaqueta.
Este tipo de campo se conoce como campo "escalar", porque "escalar" es la elegante forma matemática de decir "solo un número". Hay otros tipos de campos en la tierra de la física, como "vector"campos y campos de "tensor", que proporcionan más de un número para cada ubicación en el espacio-tiempo por ejemplo, si ves un mapa de la velocidad y dirección del viento en la pantalla, estás viendo un campo vectorial.Pero para los propósitos de este artículo de investigación, solo necesitamos saber sobre el tipo escalar.
La pareja de energía atómica
En el apogeo de mediados del siglo XX, los físicos tomaron el concepto de campo, que había existido durante siglos en ese momento, y era absolutamente antiguo para los matemáticos, y se fueron a la ciudad con él.
Se dieron cuenta de que los campos no son solo trucos matemáticos prácticos, en realidad describen algo muy fundamental sobre el funcionamiento interno de la realidad. Descubrieron, básicamente, que todo en el universo es realmente un campo.
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Tome el humilde electrón. Sabemos por la mecánica cuántica que es bastante difícil precisar exactamente dónde está un electrón en un momento dado. Cuando surgió la mecánica cuántica, este fue un desastre bastante desagradable de entender y desenredar, hasta que apareció el campoa lo largo.
En la física moderna, representamos el electrón como un campo, un objeto matemático que nos dice dónde es probable que detectemos el electrón la próxima vez que miremos. Este campo reacciona al mundo que lo rodea, digamos, debido a lainfluencia de un núcleo atómico cercano, y se modifica para cambiar el lugar donde deberíamos ver el electrón.
El resultado final es que los electrones solo pueden aparecer en ciertas regiones alrededor de un núcleo atómico, dando lugar a todo el campo de la química estoy simplificando un poco, pero entiendes mi punto.
Amigos del agujero negro
Y ahora la parte del agujero negro. En física atómica, puede describir completamente un partícula elemental como un electrón en términos de tres números: su masa, su espín y su carga eléctrica. Y en física gravitacional, puede describir completamente un agujero negro en términos de tres números: su masa, su espín y su carga electrónica.
¿Coincidencia? El jurado está deliberando sobre eso, pero por el momento podemos explotar esa similitud para comprender mejor los agujeros negros.
En el lenguaje lleno de jerga de la física de partículas que acabamos de explorar, puede describir un átomo como un núcleo diminuto rodeado por el campo de electrones. Ese campo de electrones responde a la presencia del núcleo y permite que el electrón aparezca solo en ciertas regiones. Lo mismo ocurre con los electrones alrededor de dos núcleos, por ejemplo, en una molécula diatómicacomo hidrógeno H2.
Puede describir el entorno de un agujero negro de manera similar. Imagine la pequeña singularidad en un corazón negro similar al núcleo de un átomo, mientras que el entorno circundante, un campo escalar genérico, es similar al que describe a partícula subatómica . Ese campo escalar responde a la presencia del agujero negro y permite que su partícula correspondiente aparezca solo en ciertas regiones. Y al igual que en las moléculas diatómicas, también puedes describir campos escalares alrededor de dos agujeros negros, como en un binario negrosistema de agujeros.
Los autores del estudio encontraron que los campos escalares pueden existir alrededor de agujeros negros binarios. Además, pueden formarse en ciertos patrones que se asemejan a cómo los campos de electrones se organizan en moléculas. Por lo tanto, el comportamiento de los campos escalares en ese escenario imitacómo se comportan los electrones en las moléculas diatómicas, de ahí el apodo de "moléculas gravitacionales".
¿Por qué el interés en los campos escalares? Bueno, por un lado, no entendemos la naturaleza de la materia oscura o la energía oscura, y es posible que ambas cosas energía oscura y la materia oscura podría estar formada por uno o más campos escalares, al igual que los electrones están formados por el campo de electrones.
Si la materia oscura está compuesta de algún tipo de campo escalar, entonces este resultado significa que la materia oscura existiría en un estado muy extraño alrededor de los agujeros negros binarios; las misteriosas partículas oscuras tendrían que existir en órbitas muy específicas, al igual que los electrones.hacer en los átomos. Pero los agujeros negros binarios no duran para siempre; emiten radiación gravitacional y eventualmente chocan y se fusionan en un solo agujero negro. Estos campos escalares de materia oscura afectarían cualquier onda gravitacional emitida durante tales colisiones, porque filtrarían, desviaríany remodelar cualquier onda que pase a través de regiones de mayor densidad de materia oscura. Esto significa que podríamos detectar este tipo de materia oscura con suficiente sensibilidad en los detectores de ondas gravitacionales existentes.
En resumen: pronto podríamos confirmar la existencia de moléculas gravitacionales y, a través de eso, abrir una ventana al sector oscuro oculto de nuestro cosmos.
Publicado originalmente en Rhythm89.