Físicos simulan un agujero negro en su laboratorio


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Representación artística de un agujero negro, inspirado en Gargantúa de la película Interestellar. Crédito: Archange1Michael / DeviantArt

Los agujeros negros son los secretos más celosamente guardados del Universo. Todos queremos saber qué está pasando dentro de estos oscuros y misteriosos lugares, pero lo mejor que podemos hacer es quedarnos afuera y escuchar el ritmo.

Sin embargo, los científicos no conformes con quedarse fuera, han organizado su propio agujero negro, al menos una simulación en laboratorio.

El Black Hole Laboratory de la University of Nottingham en el Reino Unido no contiene ningún agujero negro genuino. Lo que sí tiene es un tanque de agua ondulado coloreado con tinte verde y un agujero para enviarlo hacia abajo.

Los físicos del laboratorio y la Universidade Federal do ABC en Brasil recientemente utilizaron esta configuración para identificar patrones de onda en el agua que rodea un desagüe, lo que nos podría ayudar a comprender los tonos suaves de un hoyo recién nacido que grita.

El estudio, que reprodujo los patrones de oscilación de las ondas gravitacionalesen un agujero negro
El estudio, que reprodujo los patrones de oscilación de las ondas gravitacionalesen un agujero negro. Crédito: Maurício Richartz

Comportamiento de los agujeros negros

Cuando los agujeros negros se fusionan y forman agujeros negros más grandes, todo el Universo se entera de ello: el espacio zumba con una melodía llamada modo cuasinormal que contiene pistas sobre las características del nuevo agujero negro, como su masa y su momento angular.

Estos modos se han convertido en toda una moda en la física con avances continuos en la astronomía de ondas gravitacionales, y los físicos están dispuestos a extraer todos los detalles que puedan de la forma en que el espacio tiembla después de estos choques cósmicos.

Extraer información de un modo cuasinormal requiere conocer algunas cosas sobre cómo se disipa la energía en un campo y cómo ciertas características en los patrones de onda cambian o persisten con el tiempo.

Una cosa que potencialmente afecta las características de una ola es la vorticidad: el flujo curvo de su medio subyacente a medida que es arrastrado por fuerzas en competencia.

Representación artística de un agujero negro
Representación artística de un agujero negro. Crédito: insspirito / Pixabay

Para la mayoría de los modelos simples que describen las oscilaciones de un agujero negro, se supone que el espacio es poco más que un fondo silencioso a través del cual ondulan las ondas, lo que significa que su vorticidad normalmente no se tiene en cuenta.

Esto podría no hacer tanta diferencia. O podría ser significativo. No es como si pudiéramos ver de cerca estos remolinos de espacio-tiempo para averiguarlo.

Pero podemos examinar modos cuasinormales en otros medios y buscar signos de interferencia.

Agujero negro simulado

El agua no es necesariamente la metáfora perfecta para el espacio-tiempo, claro, pero los fundamentos funcionan bien. La analogía incluso tiene su fundamento en el trabajo teórico realizado por el físico canadiense William «Bill» Unruh hace casi 40 años, quien demostró que las ecuaciones hidrodinámicas son muy similares para describir la gravedad en masas de tamaño suficiente.

Lejos de un drenaje, las olas en una superficie tienden a moverse más rápido que la corriente, lo que les permite ondularse en prácticamente cualquier dirección. Pero a medida que el agua fluye hacia el equivalente a un agujero negro, toma velocidad y se lleva consigo el desorden de los patrones de onda.

El físico Maurício Richartz dijo a la Agência FAPESP:

La velocidad del fluido es mucho más alta que la velocidad de la onda, por lo que las ondas son arrastradas hacia abajo por el flujo de agua incluso cuando se propagan en la dirección opuesta”.

Al medir las oscilaciones, se revelaron patrones que se mantuvieron alrededor de los bordes del vórtice durante períodos prolongados, estados que reflejaron las características del agujero, como su tamaño y ángulos.

Representación de una onda formándose en la superficie del agua. La gran figura marcada como «suma» representa la onda completa (es decir, sus estados casi normales y casi unidos) en un instante dado. Las figuras más pequeñas representan algunos modos específicos dentro de la onda
Representación de una onda formándose en la superficie del agua. La gran figura marcada como «suma» representa la onda completa (es decir, sus estados casi normales y casi unidos) en un instante dado. Las figuras más pequeñas representan algunos modos específicos dentro de la onda. Crédito: Universidade Federal do ABC

Richartz agregó:

Nuestro principal hallazgo fue que algunas oscilaciones decayeron muy lentamente, o en otras palabras, se mantuvieron activas durante mucho tiempo y se ubicaron espacialmente cerca del drenaje.

Estas oscilaciones ya no eran modos cuasinormales, sino un patrón diferente conocido como estados cuasi unidos”.

Los investigadores esperan crear intencionalmente más de estos estados energéticos «casi unidos» de larga vida, y en diferentes condiciones, para estudiar sus implicaciones para la rotación de los agujeros negros.

Ha pasado más de un siglo desde que se demostró que las ecuaciones de campo de Einstein dan como resultado objetos curiosos conocidos como singularidades: extrañas distorsiones del espacio que dan origen a los monstruos de la gravedad que llamamos agujeros negros.

Sin embargo, a pesar de décadas de investigación, estamos un poco más cerca de comprender la exposición de los agujeros negros de la física.

El estudio científico ha sido publicado en Physical Review Letters. y puede ser leído en su totalidad en arXiv.org.


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