Los científicos simulan un agujero negro de luz en el laboratorio para probar la teoría de Stephen Hawking

Los físicos han logrado reproducir en el laboratorio el brillo más conocido de un agujero negro, utilizando una fibra óptica. Por primera vez observaron la luz reaccionando sobre el agujero negro simulado que le dio origen.

El hallazgo científico brinda a los investigadores una oportunidad única de observar directamente la radiación de Hawking, la sutil emisión térmica que Stephen Hawking teorizó como fuga de los agujeros negros. Este estudio proporciona la primera pista sobre la pequeña fuerza que hipotéticamente podría provocar la lenta evaporación de un agujero negro real, tal y como afirma el equipo.

En un experimento de banco con fibras ópticas, el equipo internacional de científicos identificó tanto la radiación como la tan buscada “reacción inversa”. Este fenómeno se refiere a la forma en que la energía de la radiación se retroalimenta y remodela el objeto que la generó.

Como se detalla en el nuevo estudio, publicado el 1 de julio en la revista Nature, la luz exhibió el comportamiento exacto que predijo Hawking. Se manifiesta como el brillo de un objeto calentado, con una temperatura definida y un espectro que disminuye gradualmente hacia frecuencias más altas. Este patrón se observó incluso en un escenario en el que la descripción convencional de un agujero negro, presente en los libros de texto, debería ser invalidada.

El encuentro de tres grandes teorías de la física en un solo experimento

La radiación de Hawking es ampliamente reconocida por su posición única en la intersección de las mayores concepciones de la física moderna.

“Jacob Bekenstein predijo que los agujeros negros tienen entropía y temperatura, y Hawking calculó su radiación térmica”, explicó Ulf Leonhardt, físico del Instituto Weizmann de Ciencias, en Israel, y coautor del estudio. “En la radiación de Hawking-Bekenstein se unen la física cuántica, la relatividad general y la termodinámica, temas que normalmente están enfrentados”.

Este conflicto entre las teorías es sustancial: la relatividad general describe el espacio-tiempo como algo continuo y fluido, mientras que la mecánica cuántica retrata un universo de saltos discretos e impredecibles. Hasta la fecha nadie ha logrado conciliar completamente ambas opiniones.

La combinación de estas teorías es precisamente lo que hace que el estudio de la radiación de Hawking sea tan desafiante. Los astrónomos nunca han detectado esta radiación en un agujero negro real y es probable que nunca lo hagan, ya que su brillo es demasiado débil para ser visto en todo el cosmos. Por ello, los físicos recurren a simulaciones de laboratorio que siguen las mismas ecuaciones, construyendo análogos de los agujeros negros con elementos como agua en movimiento, átomos ultrafríos y, en este caso, luz.

Cómo los científicos construyeron un agujero negro usando solo luz

El secreto detrás de cada análogo de agujero negro reside en un medio en movimiento. “Imagínese un nadador en el mar con una corriente que supera su capacidad de nado”, explica Leonhardt. “Es arrastrado. Eso es lo que sucede más allá del horizonte de sucesos, y es por eso que, en condiciones normales, nada puede escapar de un agujero negro”.

El horizonte de sucesos de un agujero negro marca el límite donde la “corriente”, que en realidad es el espacio mismo, comienza a moverse más rápido de lo que cualquier cosa puede viajar. Para replicar este fenómeno, 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 óptica necesitamos un material que parezca moverse a la velocidad de la luz”, afirma Leonhardt. “Para ello utilizamos la propia luz; en óptica no lineal, la luz funciona como un material”.

En la práctica, los investigadores dirigieron un pulso de “bombeo” intenso y ultracorto hacia una fina fibra de cristal fotónico. Esta fibra es un filamento de vidrio entretejido con pequeños canales de aire a lo largo de su longitud, lo que permite un ajuste fino del movimiento de la luz. A medida que avanzaba el pulso, alteraba ligeramente la forma en que el vidrio curvaba la luz, generando una especie de “bache” que se movía junto con él. Luego, un segundo pulso de “sonda” mucho más débil encontró este frente en movimiento. En el punto donde la sonda ya no podía seguirlo, se formó un horizonte artificial, dando origen al análogo del agujero negro.

Detección de brillo y su reacción de retroalimentación.

El resultado más significativo apareció en el rango ultravioleta. Según la teoría, la radiación de Hawking se genera por parejas: una de las “partículas asociadas” escapa, mientras que la otra, portadora de energía “negativa”, es la imagen especular que caería en un auténtico agujero negro. En la fibra, este compañero fue identificado como luz ultravioleta.

“Contamos fotones en el ultravioleta que corresponden a los compañeros de Hawking más allá del horizonte”, explicó Leonhardt. “Tienen una longitud de onda de aproximadamente 233 nanómetros. Ésa era nuestra señal”.

Tan crucial como observar el resplandor fue comprender su origen. Durante años, los investigadores asumieron que la fibra generaba su radiación de Hawking a través de una cascada de distintos pasos, donde la luz se convertía secuencialmente en diferentes formas intermedias antes de la radiación final. Sin embargo, el equipo descubrió que una única interacción directa hace el trabajo: la bomba y la luz de la sonda producen el par de Hawking en un solo paso. Se trata de una representación mucho más simplificada que, según los investigadores, se puede aplicar a otros análogos e incluso a agujeros negros reales.

Dado que la energía no aparece de la nada, la producción de radiación de Hawking inevitablemente ejerce una pequeña “presión” sobre la fuente que la creó. En un agujero negro real, esta “presión” es la forma en que pierde masa y, en escalas de tiempo inimaginables, se evapora por completo, un proceso que Hawking describió en su artículo fundamental de 1974. Hasta entonces, ningún experimento había podido captar este retroceso.

En este estudio, el equipo pudo observar este fenómeno. La generación de radiación desplazó una pequeña porción de la luz del pulso de la bomba a un color ligeramente diferente, lo que dio como resultado un patrón asimétrico revelador en el espectro. Esta asimetría, ausente en experimentos anteriores, es la “huella digital” de la reacción inversa o retroceso: evidencia de que el análogo del agujero negro estaba “pagando” silenciosamente el costo energético de su propio brillo.

Próximos pasos hacia un experimento cuántico

El resultado de la investigación también aborda uno de los enigmas más complejos de la física de los agujeros negros: el problema transplanckiano. Al rastrear la radiación de Hawking hasta su origen, los cálculos ingresan a un ámbito que ningún físico puede atestiguar en la escala de Planck, una dimensión infinitamente pequeña donde se cree que el espacio y el tiempo pierden sus significados familiares y todas las leyes físicas conocidas se desmoronan. En otras palabras, la predicción de Hawking parece basarse en una base que, teóricamente, puede no existir.

“Cualquier luz que se escape del horizonte se estira enormemente”, afirma Leonhardt. “Por lo tanto, debe provenir de ondas más pequeñas que la escala más pequeña de la naturaleza, cuya física se desconoce. ¿Seguiría generando radiación de Hawking? Ésa era la pregunta y la respondimos en nuestro experimento”. Sorprendentemente, el brillo se mantuvo perfectamente térmico incluso bajo este régimen extremo.

El siguiente paso del equipo está bastante claro. Hasta ahora, han utilizado luz láser ordinaria, que reproduce el espectro de la radiación de Hawking pero no sus complejidades cuánticas más profundas. La siguiente fase, según Leonhardt, es “volverse cuántica”. “Exploraremos cómo entrar en el régimen cuántico y veremos características como el entrelazamiento”, dijo, refiriéndose a la misteriosa conexión que se supone une cada partícula de Hawking que se escapa con su compañera perdida.