domingo 17 de octubre de 2021
Ciencia agujeros negros | Stephen Hawking | Agujero negro

Descubren que los agujeros negros no solo tienen temperatura sino también una presión

Un grupo de físicos de la Universidad de Sussex descubrió que los agujeros negros ejercen una presión sobre su entorno. El hallazgo fue realizado por el profesor Xavier Calmet y su compañero Folkert Kuipers en el Departamento de Física y Astronomía.

Un grupo de físicos de la Universidad de Sussex descubrió que los agujeros negros, que nacen de la muerte de estrellas masivas cuando explotan y se convierten en Supernovas, ejercen una presión sobre su entorno. En 1974, el reconocido físico teórico Stephen Hawking hizo un hallazgo fundamental: que los agujeros negros emiten radiación térmica. Para concluir esto, logró la difícil tarea de combinar por primera vez la relatividad con la cuántica, un disparador para avanzar hacia una teoría del todo. Antes de esto, se creía que los agujeros negros eran inertes, las etapas finales de una estrella pesada moribunda.

Ahora, el equipo de la Universidad de Sussex demostró que los agujeros negros son sistemas termodinámicos aún más complejos, no solo con una temperatura sino también con una presión. El descubrimiento fue realizado por el profesor Xavier Calmet y su compañero Folkert Kuipers en el Departamento de Física y Astronomía de esta universidad, y se publicó en Physical Review D.

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Los agujeros negros con jets pueden ser muy masivos y encontrarse en el centro de galaxias activas formando quásares o radiogalaxias muy energéticas.

Los agujeros negros con jets pueden ser muy masivos y encontrarse en el centro de galaxias activas formando quásares o radiogalaxias muy energéticas.

Los investigadores fueron sorprendidos por una figura adicional que se presentaba en las ecuaciones que estaban ejecutando en correcciones gravitacionales cuánticas a la entropía de un agujero negro. En diciembre del 2020, se dieron cuenta de que lo que estaban viendo se estaba comportando como una presión. Tras realizar más cálculos, confirmaron su emocionante hallazgo: que la gravedad cuántica puede generar presión en los agujeros negros.

En un comunicado, Calmet expresó: "Nuestro hallazgo de que los agujeros negros de (Karl) Schwarzschild tienen una presión y una temperatura, es aún más emocionante dado que fue una sorpresa total. Estoy encantado de que la investigación que realizamos, que están llevando a cabo en la Universidad de Sussex en la gravedad cuántica, ha fomentado la comprensión más amplia de las comunidades científicas sobre la naturaleza de los agujeros negros”.

"Nuestro hallazgo de que los agujeros negros de (Karl) Schwarzschild tienen una presión y una temperatura, es aún más emocionante dado que fue una sorpresa total", expresó Calmet.

A principios del siglo XX, el físico, matemático y astrónomo alemán Karl Schwarzschild fue quien predijo que, si se tomaban las ecuaciones de Einstein y se llevaba al extremo una concentración de masa muy grande, se tenían que producir unos objetos exóticos que denominó agujeros negros.

Calmet continuó: "La intuición histórica de Hawking de que los agujeros negros no son negros, pero tienen un espectro de radiación muy similar al de un cuerpo negro, hace que los agujeros negros sean un laboratorio ideal para investigar la interacción entre la mecánica cuántica, la gravedad y la termodinámica”.

Vía Láctea
Centro Galáctico de la Vía Láctea visto desde el Observatorio Paranal de Chile. Hay un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Centro Galáctico de la Vía Láctea visto desde el Observatorio Paranal de Chile. Hay un agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia.

Y agregó: "Si se consideran los agujeros negros solo dentro de la relatividad general, se puede demostrar que tienen una singularidad en sus centros donde las leyes de la física tal como las conocemos deben romperse. Se espera que, cuando la teoría cuántica de campos se incorpore a la relatividad general, podamos encontrar una nueva descripción de los agujeros negros".

"Si se consideran los agujeros negros solo dentro de la relatividad general, se puede demostrar que tienen una singularidad en sus centros donde las leyes de la física tal como las conocemos deben romperse", afirmó Calmet.

El científico finalizó diciendo: "Nuestro trabajo es un paso en esta dirección y, aunque la presión que ejerce el agujero negro que estábamos estudiando es minúscula, el hecho de que esté presente abre múltiples posibilidades nuevas, que abarcan el estudio de la astrofísica, la física de partículas y la física cuántica".

Para entender el estudio

Para comprender algunos conceptos del hallazgo de Xavier Calmet y Folkert Kuipers, hace falta definir qué son los agujeros negros y qué es la radiación de Hawking.

Qué son los agujeros negros:

Los agujeros negros que se crean con masas similares a la del Sol (1.989 × 10^30 kg) nacen de la muerte de estrellas masivas. "Las estrellas como el Sol son bastante pequeñas. Existen estrellas que tienen hasta 100 veces más masa que el Sol. Estas estrellas supermasivas, cuando mueren, explotan en Supernovas. Pero la parte interior de esas estrellas colapsan hasta el interior. Tanta masa junta genera un agujero negro. Estos son los agujeros negros normales", explicó a Aire Digital el astrónomo David Rebolledo, del observatorio Alma (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) de Chile, que forma parte de la red de ocho telescopios que integran el Telescopio de Horizonte de Eventos (EHT, Event Horizon Telescope) que logró tomar la primera foto de un agujero negro que fue revelada el 10 de abril del 2019.

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Para que se genere un agujero negro, la concentración de la masa tiene que llegar a niveles de tamaño muy chicos. Por ejemplo, si al Sol lo aplastamos hasta que quede del tamaño de una ciudad, se forma un agujero negro. Si a la Tierra la aplastamos hasta que quede del tamaño de una canica, se forma un agujero negro.

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La primera foto de un agujero negro. La imagen fue registrada en el 2019, un año después de la muerte de Stephen Hawking.

La primera foto de un agujero negro. La imagen fue registrada en el 2019, un año después de la muerte de Stephen Hawking.

"Los agujeros negros son objetos muy compactos, por lo tanto, no se pueden detectar. Están muy lejos. No tenemos la capacidad para detectarlos. No podemos ver su brillo porque son negros justamente. Ni siquiera la luz escapa del campo gravitatorio", contó el experto.

Para que se genere un agujero negro, la concentración de la masa tiene que llegar a niveles de tamaño muy chicos.

También están los agujeros negros supermasivos, que son unos monstruos gravitatorios. "Tienen la masa de miles de millones de soles. Es como si colapsaras miles de millones de soles. Los astrónomos pensamos que son super comunes. Están en el centro de las galaxias. La Vía Láctea tiene en el centro un agujero negro supermasivo (de varios millones de masas solares), que es más chico que el de M87 que se observó en el 2019. El tamaño en el que colapsan es mucho más grande que el de un agujero negro normal", dijo Rebolledo.

Qué es la radiación de Hawking:

La Radiación Hawking es el mayor logro del científico, el trabajo por el que es mundialmente conocido. Coloquialmente hablando, con este descubrimiento, se dice que "los agujeros negros no son tan negros".

Cuando hablamos de un agujero negro hablamos de algo enorme, consecuencia de la relatividad descrita por Albert Einstein. Hawking fue uno de los primeros en relacionar algo como los agujeros negros, de escala macroscópica (relatividad), con algo de escala microscópica (cuántica). Es decir, relacionó la relatividad con la cuántica, teorías que se entienden por separado. Fue algo muy difícil que ningún científico pudo lograr. Y lo hizo con su Ecuación de Temperatura de los Agujeros Negros.

radiación de Hawking
La radiación de Hawking es una radiación teóricamente producida cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro y debida plenamente a efectos de tipo cuántico. Fue planteada por el mismo Stephen Hawking.

La radiación de Hawking es una radiación teóricamente producida cerca del horizonte de sucesos de un agujero negro y debida plenamente a efectos de tipo cuántico. Fue planteada por el mismo Stephen Hawking.

Hawking decía que si algo estaba muy caliente, era porque estaba emanando algo. En este caso, sería la radiación. Pero si un agujero negro lo traga todo y nada sale de él ¿cómo era posible que saliera radiación? Según Hawking, el agujero negro debería tener temperatura. ¿Cómo puede tener temperatura algo que se lo traga todo? ¿Cómo puede dejar escapar energía si absorbe todo?

Hawking decía que si algo estaba muy caliente, era porque estaba emanando algo. En este caso, sería la radiación.

Había que refutar esto: que nada escapa de un agujero negro.

La respuesta de Hawking:

Para entender la solución de Hawking hay que conocer sobre el Principio de Incertidumbre de Heisenberg. Lo que hay que saber sobre esta ley física es que permite que como por "arte de magia", puedan aparecer partículas de la nada en el espacio en cualquier momento y en cualquier lugar (violando el Principio de Conservación de la Energía que dice que la materia no puede surgir de la nada).

Hawking fue uno de los primeros en relacionar algo como los agujeros negros, de escala macroscópica (relatividad), con algo de escala microscópica (cuántica).

El Principio de Incertidumbre permite que la energía que hay en el vacío se concentre en un punto y que de allí puedan surgir partículas nuevas, conocidas como partículas virtuales. Estas partículas surgen de a pares, una partícula y una antipartícula y ambas enseguida se aniquilan porque no pueden entrar en contacto, antes se destruyen. Por ejemplo, surge un electrón (materia) y a la vez un anti-electrón (antimateria) y luego viven durante un intervalo de tiempo muy pequeño. El proceso se repite todo el tiempo en todas partes.

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Acá está la clave del postulado de Hawking.

Stephen Hawking
Stephen Hawking fue un físico teórico británico. Dedicó su vida al estudio del Universo y los agujeros negros y desarrolló la ecuación más buscada por los físicos modernos.

Stephen Hawking fue un físico teórico británico. Dedicó su vida al estudio del Universo y los agujeros negros y desarrolló la ecuación más buscada por los físicos modernos.

Hawking planteó que en la frontera de un agujero negro, que delimita desde dónde ya no se puede escapar de su gravedad, pueden surgir un par de estas partículas virtuales que duran tan poco tiempo y que desaparecen.

Y pensó: ¿Qué pasa si en esta pequeña frontera surgen un par de estas partículas de la nada? Si en este punto surgen este par de partículas, puede pasar que una de las partículas quede de un lado de la frontera (de donde ya no puede escapar) y la otra del otro lado y con una buena velocidad pueda escapar del agujero negro y emitirse como radiación. ¡Esta es la radiación de Hawking! Y sucede a consecuencia del mismo vacío.

Los físicos postularon formas de medir la radiación de Hawking pero por la complejidad del desafío, Hawking no pudo obtener un Premio Nobel y murió el 14 de marzo del 2018 en Cambridge, a los 76 años.