Los agujeros negros son cada vez más raros. Cuando los científicos confirmaron la existencia de gigantes en la década de 1970, pensamos que eran cuerpos muy simples e inertes. Entonces, el famoso físico Stephen Hawking descubrió que los agujeros negros no son exactamente negros y en realidad emiten calor. Y ahora, un par de físicos se han dado cuenta de que los objetos de apariencia oscura también ejercen presión sobre su entorno.
El descubrimiento de que un sistema tan simple y no rotativo «agujeros negros tener presión y temperatura es aún más emocionante, ya que fue una sorpresa total ”, dijo en un comunicado el coautor Xavier Calmet, profesor de física en la Universidad de Sussex en Inglaterra.
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Calmet y su estudiante de posgrado, Folkert Kuipers, estaban examinando los efectos cuánticos cerca de los horizontes de eventos de los agujeros negros, algo terriblemente difícil de definir. Para resolver esto, los investigadores emplearon una técnica para simplificar sus cálculos. Mientras trabajaban, apareció un término extraño en las matemáticas de su solución. Después de meses de confusión, se dieron cuenta de lo que significaba este nuevo término: era una expresión de la presión producida por un agujero negro. Nadie sabía que esto era posible antes, y cambia la forma en que los científicos piensan sobre los agujeros negros y su relación con el resto del universo.
Motor Hawking
En la década de 1970, Hawking se convirtió en uno de los primeros físicos en aplicar mecánica cuántica tratando de comprender lo que sucede en el horizonte de eventos, el área alrededor de un agujero negro más allá de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Antes de este trabajo, todo el mundo simplemente había asumido que los agujeros negros eran objetos simples. De acuerdo con relatividad general, la teoría de la gravedad que sugirió por primera vez que podían existir agujeros negros, no hay nada extraordinario en el horizonte de sucesos. El horizonte de eventos es el «límite» de un agujero negro, que define la región donde salir del negro requeriría viajar más rápido que la luz. Pero era solo una línea imaginaria en el espacio: si la cruzaras, ni siquiera sabrías que lo hiciste, hasta que trataste de dar la vuelta y alejarte.
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Hawking cambió todo eso. Se dio cuenta de que la espuma cuántica, que se refiere a un mar de partículas que aparecen y desaparecen constantemente en el vacío del espacio-tiempo, puede afectar esta visión simplista del horizonte de eventos. A veces, pares de partículas aparecen espontáneamente del vacío vacío de Tiempo espacial, luego se aniquilan en un destello de energía, devolviendo el vacío a su estado original. Pero cuando esto sucede demasiado cerca de un agujero negro, un par puede quedarse atascado detrás del horizonte de eventos y el otro escapa. El agujero negro toma la factura de energía de la partícula escapada y, por lo tanto, necesita perder masa.
Este proceso ahora se conoce como radiación de Hawking, y fue a través de estos cálculos que descubrimos que los agujeros negros no son del todo, 100% negros. Brillan un poco. Este resplandor, conocido como «radiación de cuerpo negro», significa que también tienen calor y entropía (también llamado «desorden») y todos los demás términos que solemos aplicar a objetos mucho más mundanos como refrigeradores y motores de automóviles.
Una técnica eficaz
Hawking se centró en cómo la mecánica cuántica afectaba la vecindad de un agujero negro. Pero esa no es toda la historia. La mecánica cuántica no incluye la fuerza de gravedad, y una descripción completa de lo que está sucediendo cerca de los horizontes del evento deberá incluir la gravedad cuántica, o una descripción de cómo funciona la gravedad en escalas diminutas.
Desde la década de 1970, varios físicos han probado suerte tanto en el desarrollo de una teoría de la gravedad cuántica como en la aplicación de esas teorías a la física del horizonte de sucesos. El último intento proviene de este nuevo estudio de Calmet y Kuipers, publicado en septiembre en la revista. Revisión física D.
«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».
Xavier Calmet
«La sorprendente intuición 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», dijo Calmet.
Sin una teoría completa de la gravedad cuántica, la pareja utilizó una técnica de aproximación llamada teoría de campo efectivo o EFT. Esta teoría asume que la gravedad a nivel cuántico es débil, una suposición que le permite avanzar en los cálculos sin que todo colapse, como sucede cuando la gravedad en el régimen cuántico se modela como extremadamente fuerte. Si bien estos cálculos no revelan la imagen completa del horizonte de eventos, pueden proporcionar información sobre y dentro del agujero negro.
«Si se consideran los agujeros negros sólo 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», explicó Calmet. «Con suerte, cuando la teoría cuántica de campos se incorpore a la relatividad general, podamos encontrar una nueva descripción de los agujeros negros».
Aquí viene la presión
Calmet y Kuipers estaban explorando la termodinámica de los agujeros negros usando EFT cerca del horizonte de eventos cuando notaron un extraño término matemático apareciendo en sus ecuaciones. Al principio, el término los confundió por completo: no sabían lo que significaba ni cómo interpretarlo. Pero eso cambió durante una conversación el día de Navidad de 2020.
Se dieron cuenta de que el término en las ecuaciones representaba una presión. Presión real, real. La misma presión que ejerce el aire caliente dentro de un globo ascendente o presión sobre un pistón dentro del motor de su automóvil.
«El momento en que nos dimos cuenta de que el resultado misterioso en nuestras ecuaciones nos decía que el agujero negro que estábamos estudiando tenía una presión, después de meses de luchar con él, fue estimulante», recordó Kuipers.
Esta presión es casi absurdamente pequeña, menos de 10 ^ 54 veces más baja que la estándar. presión del aire en la tierra. Pero está ahí. También encontraron que la presión podría ser positiva o negativa dependiendo de la mezcla particular de partículas cuánticas cerca del agujero negro. Una presión positiva es el tipo que mantiene inflado el globo, mientras que una presión negativa es la tensión que se siente en una banda elástica estirada.
Su resultado amplía la idea de los agujeros negros como entidades termodinámicas que no solo tienen temperatura y entropía, sino también presión. Como su trabajo solo modela la gravedad cuántica débil y descuida la gravedad fuerte, no puede explicar completamente el comportamiento de los agujeros negros, pero es un paso importante.
“Nuestro trabajo es un paso en esa dirección y, aunque la presión que ejerce el agujero negro que estudiamos 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”, Calmet. concluido.
Publicado originalmente en Live Science.
