en la oscuridad
Las ondas gravitatorias del agujero negro pueden amplificar la radiación de Hawking.
Crédito de la imagen: NASA / ESA
Por Chris Lee, para ArsTechnica - Noviembre 8 de 2017
Desde que LIGO (y ahora Virgo) comenzó a recoger ondas gravitatorias, los teóricos se volvieron locos. El volumen de artículos sobre posibilidades interesantes parece crecer más rápido que el espacio disponible en el disco para acomodarlos. Si fuera sensato, probablemente los ignoraría. Pero no lo soy, y tú, querido lector, sufrirás conmigo.
Cuando dos agujeros negros colisionan y se fusionan, emiten ondas gravitatorias, pero no esperamos que emitan luz. ¿Pero es eso realmente cierto? Después de todo, los agujeros negros se desvanecen emitiendo radiación Hawking, por lo que tal vez haya alguna luz asociada con el evento.
¿Qué tan negro estamos hablando?
Ahora, debe señalarse que la radiación de Hawking, aunque ampliamente aceptada como una consecuencia inevitable de la física del agujero negro, nunca se ha observado. El problema es que los agujeros negros grandes y de larga duración emiten pequeñas cantidades de radiación Hawking a longitudes de onda muy largas. La baja intensidad, combinada con la longitud de onda larga, hace que sea prácticamente imposible de detectar. Los agujeros negros pequeños y efímeros son mucho más brillantes y podrían ser detectables ... pero no estoy seguro de que alguien tenga idea de cómo podría formarse ese agujero negro en el Universo actual. Cada agujero negro que conocemos está en el cubo grande y de larga vida.
Entonces, en circunstancias normales, los agujeros negros son, para todos los propósitos prácticos, negros.
Pero, una colisión de agujero negro es cualquier cosa menos ordinaria. Y los investigadores comienzan a preguntarse si podría haber algún brillo asociado con la colisión. Sin embargo, la investigación de la emisión de radiación Hawking durante la espiral y la colisión resulta bastante complicada. Cuando dos agujeros negros se unen, se mueven a una fracción respetable de la velocidad de la luz. Resolver las ecuaciones de la relatividad general para este sistema ya requiere mucho trabajo pesado con las computadoras, y eso no incluye agregar los bits que involucran la radiación de Hawking.
Pero, como con todas las cosas, tienes que empezar en algún lado. Entonces, un grupo de investigadores decidió examinar algunos de los detalles de la radiación de Hawking inmediatamente después de la fusión de un agujero negro. Justo después de la colisión, el agujero negro fusionado emite unas pocas ondas gravitacionales a medida que se relaja. De hecho, la mejor analogía es el sonido de una campana. Nuestra campana cósmica es el horizonte de sucesos, que se aprieta y expande a medida que absorbe y emite ondas gravitacionales.
Los investigadores construyeron un modelo que examina la fase y la amplitud de la radiación de Hawking en relación con las ondas gravitacionales que produce el agujero negro.
La luz del espacio sonando
Los hallazgos se pueden resumir de la siguiente manera: las oscilaciones del agujero negro modulan la fase y la amplitud de la radiación de Hawking. Esencialmente, en esos momentos en el tiempo cuando se está absorbiendo una onda gravitacional, se puede emitir luz. En circunstancias normales, la radiación de Hawking se parece a la radiación térmica, lo que básicamente significa que tiene las mismas propiedades que la luz emitida por una bombilla incandescente (aunque en una parte diferente del espectro electromagnético). Eso significa que no hay dos fotones de un agujero negro que tengan mucho en común: la fase, la amplitud y la dirección se seleccionan aleatoriamente para cada fotón.
Pero las oscilaciones periódicas del agujero negro le dan a estos fotones correlaciones, por lo que es diferente de una bombilla incandescente. De hecho, los investigadores muestran que los fotones son lo que los físicos llaman exprimido.
Exprimir implica el hecho de que la fase y la amplitud de un fotón se rigen por el principio de incertidumbre; no se pueden definir ambos con precisión arbitraria. Un fotón exprimido es aquel en el que la amplitud o fase se define con una precisión que es mejor que el mínimo común, mientras que la otra propiedad es mucho más ruidosa. Nada de lo que estemos conscientes emite naturalmente luz exprimida. Por lo general, se necesitan circunstancias altamente especializadas para obtener fuentes de luz no clásicas como emisores de fotones comprimidos.
Esto significa que los agujeros negros oscilantes pueden ser nuestro primer ejemplo de emisores naturales de luz exprimida. Y, aún mejor, la absorción de ondas gravitacionales por el agujero negro amplifica la radiación de Hawking.
Agujeros negros: ¿un espectáculo de luz y sonido?
Todo esto suena muy emocionante, entonces ¿deberíamos estar buscando en el cielo nocturno ondas de radio apretadas? Bueno, todavía queda camino por recorrer antes de que los investigadores comiencen a preguntar por el tiempo del telescopio.
El problema es que este análisis se limita a la anulación del agujero negro. La amplificación de la radiación de Hawking es proporcional a la duración del timbre de llamada, que dura solo unos pocos milisegundos. O, para ponerlo en números duros: GW150914, la primera fusión que LIGO observó, pudo haber tenido un timbre que fue lo suficientemente largo como para emitir uno o dos fotones exprimidos.
Lo que hace que esto sea interesante es que, durante la espiral en espiral antes de la colisión, hay oscilaciones de larga duración. Si el análisis de los investigadores se escala de la misma manera (es decir, los detalles son diferentes, pero la imagen general sigue siendo la misma), entonces el número de fotones aumentaría drásticamente. Los investigadores predicen que un modo que dura del orden de 30 milisegundos podría emitir alrededor de 10^42 fotones. Puse eso a alrededor de 10^16W de ondas de radio, que suena como mucho pero aún es muy pequeño comparado con el 10^26W del Sol.
Esa última comparación no es del todo justa, porque los investigadores calculan la energía emitida por el acoplamiento a un único modo de onda gravitacional (la radiación viene en modos que definen sus características). Durante la espiral, se excitarán muchos modos, y la espiral durará algo más de 30 milisegundos (aunque solo nos importa el final, donde la amplitud de la onda gravitacional es enorme). Por lo tanto, podría no estar más allá de los límites de la posibilidad de detectar estas emisiones.
Sé que tanto yo como muchos otros nos impacientamos con los físicos teóricos que predicen cosas que es poco probable que midamos. Pero tenemos que controlar nuestra impaciencia de alguna manera. Lo bueno de ser un físico teórico, especialmente en algunas áreas, es que tu imaginación es el límite. De hecho, diría que una imaginación bien culta es un inconveniente.
La imaginación de un buen teórico parece ser un pantano fétido y humeante, lleno de los zumbidos insectos de la mecánica cuántica, los caimanes de la relatividad general, las islas flotantes de la mecánica newtoniana y, sí, la ocasional bestia escamosa no identificada y medio vista. Sin teóricos persiguiendo a estas bestias a medio ver e imaginando más cosas de las que realmente existen, nunca sabremos cómo buscar nada en el pantano, y mucho menos encontrar nada.
Entonces, aunque soy escéptico de que la radiación de los agujeros negros en colisión sea detectable (si es que existe), este sigue siendo un resultado realmente agradable. Por primera vez, parece implicar que un gran agujero negro podría emitir suficiente radiación de Hawking como para ser detectable, y eso merece una segunda mirada.
Revisión física D, 2017, DOI: 10.1103 / PhysRevD.96.065017
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