Los agujeros negros sintéticos irradian como los reales

Newswise – Una investigación de la Universidad de Amsterdam ha demostrado que la elusiva radiación de los agujeros negros se puede estudiar imitándola en el laboratorio.

Los agujeros negros son los objetos más extremos del universo, acumulando tanta masa en tan poco espacio que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitatoria una vez que se acercan lo suficiente.

Comprender los agujeros negros es clave para desentrañar las leyes más fundamentales que rigen el cosmos, ya que representan los límites de dos de las teorías mejor probadas de la física: la teoría de la relatividad general, que describe la gravedad como resultado de la deformación (escala) del espacio. tiempo por objetos masivos, y la teoría de la mecánica cuántica, que describe la física en las escalas de longitud más pequeñas. Para describir completamente los agujeros negros, necesitaríamos juntar estas dos teorías y formar una teoría de la gravedad cuántica.

Agujeros negros radiantes
Para lograr este objetivo, es posible que queramos ver qué logra escapar de los agujeros negros, en lugar de qué se traga. El horizonte de eventos es un límite intangible alrededor de cada agujero negro, más allá del cual no hay salida. Sin embargo, Stephen Hawking descubrió que cada agujero negro debe emitir una pequeña cantidad de radiación térmica debido a las pequeñas fluctuaciones cuánticas alrededor de su horizonte.

Desafortunadamente, esta radiación nunca ha sido detectada directamente. La cantidad de radiación de Hawking proveniente de cada agujero negro debería ser tan pequeña que sea imposible detectarla (con la tecnología actual) entre la radiación proveniente de todos los demás objetos cósmicos.

Si no, ¿podríamos estudiar el mecanismo subyacente a la aparición de la radiación de Hawking aquí mismo en la Tierra? Esto es lo que los investigadores de la Universidad de Amsterdam y IFW Dresden se propusieron estudiar. Y la respuesta es un emocionante “sí”.

Agujeros negros en el laboratorio
“Queríamos utilizar las poderosas herramientas de la física de la materia condensada para probar la física inaccesible de estos objetos increíbles: los agujeros negros”, dice la autora Lotte Mertens.
Para ello, los investigadores estudiaron un modelo basado en una cadena unidimensional de átomos, en la que los electrones pueden “saltar” de un sitio atómico a otro. La deformación del espacio-tiempo debido a la presencia de un agujero negro se imita ajustando la facilidad con la que los electrones pueden saltar entre cada sitio.

Con la variación correcta de probabilidad de salto a lo largo de la cadena, un electrón que se mueve de un extremo de la cadena al otro se comportará exactamente como una pieza de materia que se acerca al horizonte de un agujero negro. Y, de manera análoga a la radiación de Hawking, el sistema modelo tiene excitaciones térmicas medibles en presencia de un horizonte sintético.

Aprende por analogía
A pesar de la ausencia de gravedad real en el sistema modelo, la consideración de este horizonte sintético proporciona información importante sobre la física de los agujeros negros. Por ejemplo, el hecho de que la radiación de Hawking simulada sea térmica (lo que significa que el sistema parece tener una temperatura fija) solo para una elección específica de variación espacial en la probabilidad de salto, sugiere que la radiación de Hawking real también puede ser puramente térmica en ciertos casos. situaciones .

Además, la radiación de Hawking solo ocurre cuando el sistema modelo se inicia sin ninguna variación espacial en las probabilidades de salto, imitando un espacio-tiempo plano sin horizonte, antes de transformarse en un sistema que alberga un agujero negro sintético. Por lo tanto, la aparición de la radiación de Hawking requiere una cambio en la deformación del espacio-tiempo, o un cambio en cómo un observador que busca radiación percibe esa deformación.

Finalmente, la radiación de Hawking requiere que parte de la cadena exista más allá del horizonte sintético. Esto significa que la existencia de radiación térmica está íntimamente ligada a la propiedad mecánica cuántica de enredo entre objetos a ambos lados del horizonte.

Debido a que el modelo es tan simple, se puede implementar en una variedad de configuraciones experimentales. Esto podría incluir sistemas electrónicos sintonizables, cadenas de espín, átomos ultrafríos o experimentos ópticos. Llevar los agujeros negros al laboratorio puede acercarnos a la comprensión de la interacción entre la gravedad y la mecánica cuántica, y en nuestro camino hacia una teoría de la gravedad cuántica.