En 1974, Stephen Hawking hizo una de sus predicciones más famosas: que los agujeros negros finalmente se evaporan por completo.
Según la teoría de Hawking, los agujeros negros no son perfectamente "negros" sino que en realidad emiten partículas. Hawking creía que esta radiación podría eventualmente desviar suficiente energía y masa de los agujeros negros para hacerlos desaparecer. Se asume ampliamente que la teoría es cierta, pero alguna vez se pensó que era casi imposible de probar.
Sin embargo, por primera vez, los físicos han demostrado esta evasiva radiación de Hawking, al menos en un laboratorio. Aunque la radiación de Hawking es demasiado débil para ser detectada en el espacio por nuestros instrumentos actuales, los físicos ahora han visto esta radiación en un análogo de agujero negro creado usando ondas de sonido y algunas de las materias más frías y extrañas del universo.
Pares de partículas
Los agujeros negros ejercen una fuerza gravitacional tan increíblemente poderosa que incluso un fotón, que viaja a la velocidad de la luz, no podría escapar. Si bien el vacío del espacio generalmente se considera vacío, la incertidumbre de la mecánica cuántica dicta que un vacío está repleto de partículas virtuales que entran y salen de la existencia en pares de materia-antimateria. (Las partículas de antimateria tienen la misma masa que sus contrapartes de materia, pero carga eléctrica opuesta).
Normalmente, después de que aparece un par de partículas virtuales, inmediatamente se aniquilan entre sí. Sin embargo, al lado de un agujero negro, las fuerzas de gravedad extremas separan las partículas, con una partícula absorbida por el agujero negro mientras la otra se dispara hacia el espacio. La partícula absorbida tiene energía negativa, lo que reduce la energía y la masa del agujero negro. Trague lo suficiente de estas partículas virtuales, y el agujero negro finalmente se evapora. La partícula que se escapa se conoce como radiación de Hawking.
Esta radiación es lo suficientemente débil como para que sea imposible en este momento observarla en el espacio, pero los físicos han ideado formas muy creativas de medirla en un laboratorio.
Un horizonte de eventos en cascada
El físico Jeff Steinhauer y sus colegas del Technion - Instituto de Tecnología de Israel en Haifa utilizaron un gas extremadamente frío llamado condensado de Bose-Einstein para modelar el horizonte de eventos de un agujero negro, el límite invisible más allá del cual nada puede escapar. En una corriente que fluye de este gas, colocaron un acantilado, creando una "cascada" de gas; Cuando el gas fluyó sobre la cascada, convirtió suficiente energía potencial en energía cinética para fluir más rápido que la velocidad del sonido.
En lugar de partículas de materia y antimateria, los investigadores utilizaron pares de fonones u ondas de sonido cuánticas en el flujo de gas. El fonón en el lado lento podría viajar contra el flujo del gas, lejos de la cascada, mientras que el fonón en el lado rápido no podría, atrapado por el "agujero negro" del gas supersónico.
"Es como si intentaras nadar contra una corriente que iba más rápido de lo que podrías nadar", dijo Steinhauer a Live Science. "Sentirías que ibas hacia adelante, pero realmente ibas a retroceder. Y eso es análogo a un fotón en un agujero negro tratando de salir del agujero negro pero siendo arrastrado por la gravedad de la manera incorrecta".
Hawking predijo que la radiación de las partículas emitidas estaría en un espectro continuo de longitudes de onda y energías. También dijo que podría describirse por una sola temperatura que solo dependía de la masa del agujero negro. El experimento reciente confirmó ambas predicciones en el agujero negro sónico.
"Estos experimentos son un tour de force", dijo a Live Science Renaud Parentani, físico teórico del Laboratoire de Physique Théorique de la Universidad Paris-Sud. Parentani también estudia agujeros negros analógicos pero desde un ángulo teórico; No participó en el nuevo estudio. "Es un experimento muy preciso. Desde el punto de vista experimental, Jeff es realmente, en este momento, el experto líder mundial en el uso de átomos fríos para investigar la física de los agujeros negros".
Parentani, sin embargo, enfatizó que este estudio es "un paso a lo largo de un largo proceso". En particular, este estudio no mostró que los pares de fonones se correlacionen en el nivel cuántico, que es otro aspecto importante de las predicciones de Hawking.
"La historia continuará", dijo Parentani. "No es en absoluto el final".
