Experimento de luz recrea un agujero negro para probar la radiación de Stephen Hawking

Los científicos han realizado un descubrimiento histórico sobre la física de la radiación de Hawking, al lograr crear un agujero negro en miniatura a partir de luz en un ambiente controlado. La investigación, publicada el 1 de julio en la revista Nature, ofrece una visión sin precedentes de uno de los fenómenos más intrigantes del universo.

Por primera vez, los físicos han extraído la emisión más famosa de un agujero negro de un filamento de fibra óptica y han observado directamente cómo reaccionaba esa luz en el agujero negro simulado que la originó.

El estudio brinda a los investigadores una comprensión poco común y directa de la radiación de Hawking: la débil liberación térmica que Stephen Hawking predijo que debería emanar de los agujeros negros. Además, el descubrimiento ofrece una primera indicación del impulso mínimo que teóricamente podría provocar que un agujero negro real se evapore gradualmente, como detalla el equipo en el nuevo artículo.

Los datos obtenidos demostraron que la luz se comportaba exactamente como predijo Hawking: como el resplandor de un cuerpo calentado, con una temperatura definida y un espectro que se atenúa progresivamente hacia frecuencias más altas. Esto ocurrió incluso en condiciones en las que la descripción tradicional de un agujero negro, que se encuentra en los libros de texto, se consideraría inadecuada.

Convergencia de las principales teorías de la física en el experimento.

La radiación de Hawking es famosa por estar en el punto de intersección de las concepciones más grandiosas de la física moderna.

Jacob Bekenstein anticipó que los agujeros negros tienen entropía y temperatura, y Stephen Hawking calculó posteriormente la radiación térmica que emitirían, según explica Ulf Leonhardt, físico del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y coautor del estudio. Leonhardt destacó que, en la radiación de Hawking-Bekenstein, la física cuántica, la relatividad general y la termodinámica se fusionan, áreas que, en condiciones normales, a menudo están en desacuerdo.

Este conflicto es profundo, ya que la relatividad general describe el espacio y el tiempo como entidades fluidas y continuas, mientras que la mecánica cuántica retrata un universo de saltos discontinuos e impredecibles. Hasta la fecha, ninguna teoría ha logrado conciliar plenamente estas dos perspectivas.

Esta compleja interacción es precisamente lo que hace que el estudio de la radiación de Hawking sea tan desafiante. Los astrónomos nunca han observado directamente la radiación de Hawking procedente de un agujero negro real, y es probable que nunca lo hagan, ya que su brillo es demasiado débil para ser detectado a una distancia cósmica. Por esta razón, los físicos utilizan análogos de laboratorio que siguen las mismas ecuaciones, creando simulaciones de agujeros negros a partir de agua en movimiento, átomos ultrafríos y, como en este estudio, luz.

Cómo crear un agujero negro simulado usando luz

El principio fundamental detrás de cualquier analogía con un agujero negro reside en un medio en movimiento. Como lo ejemplificó Leonhardt, “imagínense un nadador en el mar con una corriente más fuerte de la que puede nadar; será arrastrado. Esto es exactamente lo que sucede más allá del horizonte de sucesos, y es por esta razón que nada puede escapar de un agujero negro”.

El horizonte de sucesos de un agujero negro es el punto de no retorno, donde el espacio mismo se mueve más rápido de lo que cualquier cosa puede viajar. Para replicar esta condición, el equipo necesitaba un material que simulara el desplazamiento a la velocidad de la luz. La solución encontrada fue ingeniosa: utilizar la propia luz para crear este “material”.

En aplicaciones ópticas, un material que parezca moverse a la velocidad de la luz es esencial. Leonhardt explicó que, para lograr este objetivo, se utiliza la propia luz, ya que en la óptica no lineal se comporta de forma similar a un material.

En la práctica, los investigadores emitieron un pulso de “bombeo” intenso y ultracorto en una fibra de cristal fotónico, un filamento de vidrio que tiene pequeños canales de aire a lo largo de su longitud. Esta característica permite un ajuste preciso de cómo se propaga la luz. A medida que el pulso avanzaba, alteraba sutilmente la refracción del vidrio, generando una especie de barrera móvil que se movía a gran velocidad. Luego, un segundo pulso de “sondeo”, mucho más débil, chocó con este frente en movimiento. En el punto en el que el pulso de sondeo ya no podía seguir el ritmo, se formó un horizonte artificial que dio lugar a algo parecido a un agujero negro.

Observación de la emisión y su influencia en el agujero negro.

La revelación crucial ocurrió en el rango ultravioleta. La teoría sostiene que la radiación de Hawking se genera en pares: una partícula logra escapar, mientras que la otra, que lleva energía “negativa”, es su reflejo y sería devorada por un verdadero agujero negro. En el experimento de la fibra, este compañero se manifestó como luz ultravioleta.

Leonhardt detalló que se contaron fotones en el rango ultravioleta que correspondían a los compañeros de Hawking más allá del horizonte. Informó que tenían una longitud de onda de alrededor de 233 nanómetros, y esa fue la señal detectada.

Comprender cómo se producía el resplandor era tan crucial como observarlo. Durante muchos años, los investigadores especularon que la fibra generaba su radiación de Hawking mediante un proceso en cascada, que implicaba múltiples pasos de conversión de luz antes de que emergiera la radiación. Sin embargo, el equipo descubrió que una única interacción directa es responsable del proceso: los pulsos de bombeo y sondeo producen el par de Hawking en un solo paso limpio. Se trata de un modelo significativamente más simple que, según los investigadores, puede ampliarse a otras analogías y, eventualmente, a agujeros negros reales.

Dado que la energía debe provenir de algún lugar, la emisión de radiación de Hawking debería impactar en la fuente que la generó. Para un agujero negro genuino, esta influencia se manifiesta en la pérdida de masa y, en escalas de tiempo inimaginables, su completa evaporación, un proceso que Hawking describió en su histórico artículo de 1974. Hasta la fecha ningún experimento ha podido registrar este retroceso.

En este experimento, el equipo pudo observar tal efecto. La producción de radiación provocó que una pequeña porción de la luz del pulso de la bomba cambiara a un color ligeramente diferente, dejando un patrón asimétrico revelador en el espectro. Esta asimetría, que no se ha observado en estudios anteriores, es el sello distintivo de la reacción inversa, o retroceso, el análogo del agujero negro que sutilmente “paga” el costo energético de su propio brillo.

Próximos pasos para la física cuántica de agujeros negros

El resultado de la investigación también aborda uno de los enigmas más intrincados de la física de los agujeros negros: el problema transplanckiano. Al rastrear la radiación de Hawking hasta su origen, los cálculos entran en un ámbito que ningún físico puede garantizar: la escala de Planck, la dimensión infinitesimal donde se cree que el espacio y el tiempo pierden su significado convencional y toda la física conocida deja de existir. En otras palabras, la predicción de Hawking aparentemente descansa sobre una base que puede ser inestable.

Leonhardt explicó que cualquier luz que se aleja del horizonte se dispersa intensamente. Por tanto, debe originarse en ondas de menor escala que la escala más pequeña de la naturaleza, cuya física se desconoce. La pregunta era si esto seguiría produciendo radiación de Hawking, y el equipo respondió a esa pregunta en el experimento. Sorprendentemente, el resplandor mantuvo sus características térmicas incluso en este régimen extremo.

El próximo objetivo del equipo es concreto. Hasta ahora, han empleado luz láser convencional, que reproduce el espectro de la radiación de Hawking pero no sus complejidades cuánticas más profundas. El siguiente paso es “entrar en el mundo cuántico”, afirmó Leonhardt. Planean investigar cómo alcanzar el régimen cuántico y observar fenómenos como el entrelazamiento, la enigmática conexión que debería vincular cada partícula de Hawking que escapa con su compañera perdida.