En 1974, Stephen Hawking teorizó que los agujeros negros no eran los tragadores de estrellas como el lo imaginaban los astrónomos. A su juicio, estos emitían luz de forma espontánea, 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. Es por eso que los científicos de hoy están creando sus propios agujeros negros.
Los investigadores del Instituto de Tecnología Technion-Israel hicieron precisamente eso. Crearon un análogo de agujero negro a partir de unos pocos miles de átomos. Intentaban confirmar dos de las predicciones más importantes de Hawking. La primera, que la radiación de Hawking surge de la nada. La segunda, 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 radiación infrarroja constante", dijo el coautor del estudio, Jeff Steinhauer. "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".
El horizonte de eventos
La gravedad de un agujero negro es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar de su alcance. Esto, 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 demostró que aunque nada que cruza el horizonte de sucesos puede escapar, los agujeros negros aún pueden emitir luz de forma espontánea desde el límite, gracias a la mecánica cuántica y algo llamado "partículas virtuales".
Como explica el principio de incertidumbre de Heisenberg, incluso el vacío completo del espacio está repleto de pares de partículas "virtuales" que aparecen y desaparecen de la existencia. Estas partículas fugaces con energías opuestas suelen aniquilarse 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 en radiación de Hawking. Solo a partir 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 relatividad general", la teoría de Einstein que describe cómo la materia deforma el espacio-tiempo, dijo Steinhauer a WordsSideKick.com.
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 desarrollado en el laboratorio por los investigadores estaba hecho de un gas que fluía de aproximadamente 8.000 átomos de rubidio enfriado hasta casi el cero absoluto y mantenido en su lugar por un rayo láser.
Usando un segundo rayo láser, el equipo creó un acantilado de energía potencial. Este hizo que el gas fluyera como agua que cae por una cascada. Esto creó así un horizonte de eventos donde una mitad del gas fluía más rápido que la velocidad del sonido. La otra la mitad más lento.
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.
Una vez que encontraron estos pares de fonones, los investigadores tuvieron que confirmar si estaban correlacionados y si la radiación de Hawking permanecía constante a lo largo del tiempo (si era estacionaria). Ese proceso fue complicado porque cada vez que tomaban una fotografía de su agujero negro, el calor creado en el proceso lo destruía. El equipo repitió su experimento 97.000 veces, tomando más de 124 días de mediciones continuas para encontrar las correlaciones. Al final, su paciencia valió la pena.