Una reciente investigación de la Universidad Case Western parece poner en duda la existencia de los agujeros negros, al concluir que el horizonte de sucesos que los caracteriza, nunca se llega a formar.
Independientemente de las conclusiones que se realicen al respecto, reconsiderar e investigar sobre estos objetos, bien vale la pena. Sobre todo porque -adelantamos- todavía están ahí afuera.
Los agujeros negros han fastidiado a los físicos por algún tiempo.
La mera sugerencia de que las estrellas podrían colapsar gravitacionalmente disparó una de las más amargas enemistades físicas del último siglo.
El Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar sostuvo que las estrellas podían colapsar así, pero el eminente Arthur Eddington estuvo tan fuertemente en desacuerdo que el indio cambió su área de investigación para escapar a la disputa.
Y los desacuerdos no se han detenido desde entonces.
Un nuevo estudio se agrega a esta larga historia, sugiriendo que los agujeros negros, ahora casi aceptados de hecho, nunca se forman realmente y que la solución a la vieja paradoja de los agujeros negros podría ser más simple que lo supuesto.
La respetabilidad para los agujeros negros llegó recién en 1967, cuando los astrónomos de la Universidad de Cambridge observaron el primer púlsar, una estrella colapsada no tan densa como un agujero negro, en rotación, que emite radiación a intervalos regulares.
La teoría dice que un agujero negro se forma cuando una estrella masiva acaba su combustible y la gravedad de su propio peso la hace colapsar a un pequeño núcleo. Este acto es frecuentemente acompañado de una explosión, llamada supernova. La teoría de Einstein muestra que la gravedad curva la luz y si el núcleo colapsado de la supernova es suficientemente pesado (al menos unas tres veces más que el Sol), el resultado sería un agujero negro con una gravedad tan fuerte que la luz no podría escapar de sus garras, al menos fuera de la distancia llamada "horizonte de sucesos". Más, cuanto más pesado es el agujero negro, más lejos se extiende el horizonte de sucesos.
Pero en 1975, Stephen Hawking y otro físico, Jacob Bekenstein, dieron un nuevo dolor de cabeza a los físicos concluyendo que estas estrellas colapsadas se evaporan con el tiempo, con una contínua liberación de partículas en una simple radiación, llamada radiación Hawking, desde entonces.
El resultado combina la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas subatómicas.
¿Porqué es esto un dolor de cabezas? Por la famosa "Paradoja de la información" de los agujeros negros. Básicamente, una vez que algo desaparece en un agujero negro, se va irreversiblemente. El ejemplo más conocido de Hawking es el que supone tirar una enciclopedia a un agujero negro. Una vez que pasa el horizonte de sucesos del agujero negro, toda la "información" de la enciclopedia -toda indicación de sus características físicas- se va para siempre. Y, desafortunadamente para la enciclopedia, la radiación de Hawking del agujero negro no traería de vuelta información de ningún volumen engullido por el agujero, por definición. Así que, en este sentido, la información (por ejemplo, la localización de toda la tinta y las moléculas del papel en el volumen) ha sido destruída.
Sin embargo, esto viola otro principio de la mecánica cuántica que sostiene que la "información" dentro de un sistema no puede ser completamente destruída. De allí la paradoja.
Varias soluciones para el dilema han emergido con los años. En 2004, el mismo Hawking sugirió que la mecánica cuántica deja abierta una puerta de escapa a su propia trampa, aludiendo que la radiación contiene información.
Pero un paper recientemente aceptado para su publicación en el periódico Physical Review D, va un poco más lejos.
Los investigadores Tanmay Vachaspati, Dejan Stojkovic y Lawrence Krauss de la Universidad Case Western Reserve, sugieren que el horizonte de sucesos nunca se llegan a formar, dejando lugar para una especie de radiación Hawking, que obviaría la paradoja de la información. Por lo que los agujeros negros se disiparían lentamente antes de haberse verdaderamente formado.
En el paper, el equipo se pregunta qué ve un observador distante de una estrella colpasante. Esta es una pregunta interesante, dice Krauss, porque hay una pequeña chance que los aceleradores de partículas como el LHC del CERN podrían ver agujeros negro microscópicos formándose en los experimentos que se iniciarían en 2008. El equipo se pregunta qué clase de radiación Hawking emergería de esos colapsos mientras ocurren.
Como la radiación Hawking se lleva la masa del agujero negro, evaporándolo, cualquier "pre-radiación" quitaría similarmente masa de la estrella en colpaso, disminuyendo lentamente la distancia entre el horizonte de sucesos y el centro del agujero negro. Si escapa suficiente radiación antes del colpaso, el agujero negro se evaporaría completamente antes de tener chance de formarse.
Y eso es lo que parece que le ocurre a un agujero negro en un colapso, concluye el equipo. "En cambio, el verdadero horizonte de sucesos nunca se forma en un colpaso gravitacional", dice el estudio. En vez de formarse un completo horizonte de sucesos desde el cual la luz no puede escapar, el agujero negro podría estar en un estado de perpetuo colapso que podría durar mucho, mucho tiempo para grandes estrellas, "al menos, visto por un observador externo localizado muy lejos", sugiere Krauss.
"Es un resultado intrigante, realmente el comienzo de una convesación", reconoce Krauss. Pero como los agujeros negros son entre los más interesantes temas en física, él sugiere que realizarse preguntas acerca de sus propiedades vale la pena claramente.
Los resultados del paper "sugieren que la radiación Hawking podría tener un evecto mucho más grande de lo que se espera comúnmente", dice el físico Don Marolf de la Universidad de California. "Sería muy interesante si evidencia sólida pueda encontrarse que apoye esta idea".
Más allá de CERN, algunos astrofísicos esperan ver agujeros negros en las próximas décadas, ya sea microscópicos en lugares como el Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger en Argentina, o el super masivo agujero que se cree reside en el centro de nuestra galaxia vía telescopios.
"Como la presencia de un horizonte de sucesos es considerado la única completamente inequívoca firma de un agujero negro (para distinguirlo de una estrella de neutrones u otros objetos ultra compactos), la afirmación de este trabajo de que no hay horizontes de sucesos podría ser importante", dice el astrónomo de NASA Michael Loewenstein del Centro Espacial Goddard, por e-mail. "No me resulta claro cómo las observaciones astronómicas que parecen apoyar la existencia de horizontes de sucesos serían re-interpretadas, y cómo las predicciones de comportamiento y apariencia de la materia colapsada diferiría", comenta con precaución.
En todos estos casos, podríamos estar "viendo el colapso gravitacional de materia y podríamos no ver efectos asociados con un horizonte de sucesos de agujero negro", concluye el estudio. "Sólo los efectos ocurriendo durante el colapso graviacional en sí mismo parecen ser visibles".
"La radiación no-térmica puede llevar información en ella a diferencia de la radiación termal. Esto significa que un observador exterior viendo un objeto colapsar recibe radiación no-térmica de vuelta y puede ser capaz de reconstruir toda la información en el objeto inicial y así la información nunca se pierde", dicen los investigadores.
"Un observador externo nunca perderá un objeto en un agujero negro" dice Stojkovic. "Si tú estás sentado fuera y tiras algo a un agujero negro, permanecerá fuera del horizonte de sucesos incluso si uno considera los efectos de la mecánica cuántica. De hecho, como en mecánica cuántica el observador juega un rol importante en la medición, la pregunta sobre la formación de un horizonte de sucesos es mucho más sutil de considerar"
Los físicos se apuran a asegurar a astrónomos y astrofísicos que lo observado sobre gravedad colapsando masas continúa siendo cierto, pero lo controversial acerca del nuevo descubrimiento es que "para el punto de vista de un observador externo toma una infinita cantidad de tiempo en formarse un horizonte de sucesos y así los relojes para los objetos cayendo al agujero negro parecerán disminuir a cero", explica Krauss, director de el Centro de Educación e Investigación en Cosmología de la Universidad Case.
Aclaremos sobre ésto último: Einstein mostró que al incrementarse la gravedad, el tiempo parece ir más lento. Si hay dos personas, una muy cerca de un agujero negro y otra más lejos, la persona más alejada vería el reloj de la otra persona yendo más despacio. Mientras más fuerte sea la gravedad, el tiempo parecerá ir más lento.
Phil Plait, en su Badastronomy blog, se pregunta cómo se forma entonces el agujero negro si esto es así. Y responde :"Imagina el núcleo colapsando y tú estás viéndolo desde lejos. Lov verás haciéndose más chico, pero el colapso parecerá ir más despacio también, por la dilatación del tiempo. Como la paradoja de Zenón, verías la velocidad de escape aproximarse a la velocidad de la luz, pero no verías que realmente la alcance jamás. El tiempo se estiraría infinitamente y el colpaso del núcleo te parecería que se detuvo.
Ahora bien, como se apuntó antes, la radiación Hawking hace perder masa al agujero negro hasta evaporarlo.
Para un observador externo, el horizonte de sucesos no se vería formar porque tardaría una cantidad infinita de tiempo. Tiempo durante el cual el agujero va perdiendo masa. Por lo que los dos efectos compiten con lo que finalmente lo que se vería es que el agujero se evapora antes de que el horizonte llegue a formarse.
En pocas palabras, lo que los investigadores parecen concluir es que los agujeros negros pierden masa más rápidamente que al ganarla, por lo que los horizontes de sucesos nunca alcanzarían a formarse.
No hay que perder de vista que, aunque suele definirse a un agujero negro como un objeto ultra compacto que posee un horizonte de sucesos, el que no tenga éste último, no quita que el objeto siga existiendo.
Evidentemente el paper provoca polémicas que sólo deberían generar mayor investigación y debate sobre estos objetos que tanto atraen por su poder y magnificencia.
Fuentes y links relacionados
USA Today:Black holes: Just beyond the event horizon
NewScientist:Do black holes really exist?
EurekAlert:Case researchers may have solved
Case University: Black Holes aren't
Documento de word:Agujeros negros cuánticos: la apuesta de Stephen Hawking
Carmen A. Núñez (I.A.F.E. – CONICET)
Caos y ciencia:(Agujeros) negros, juegan y ganan
Proyecto Celestia:Videos sobre Agujeros Negros
Crédito de la imagen: NASA
Independientemente de las conclusiones que se realicen al respecto, reconsiderar e investigar sobre estos objetos, bien vale la pena. Sobre todo porque -adelantamos- todavía están ahí afuera.
Los agujeros negros han fastidiado a los físicos por algún tiempo.
La mera sugerencia de que las estrellas podrían colapsar gravitacionalmente disparó una de las más amargas enemistades físicas del último siglo.
El Nobel Subrahmanyan Chandrasekhar sostuvo que las estrellas podían colapsar así, pero el eminente Arthur Eddington estuvo tan fuertemente en desacuerdo que el indio cambió su área de investigación para escapar a la disputa.
Y los desacuerdos no se han detenido desde entonces.
Un nuevo estudio se agrega a esta larga historia, sugiriendo que los agujeros negros, ahora casi aceptados de hecho, nunca se forman realmente y que la solución a la vieja paradoja de los agujeros negros podría ser más simple que lo supuesto.
La respetabilidad para los agujeros negros llegó recién en 1967, cuando los astrónomos de la Universidad de Cambridge observaron el primer púlsar, una estrella colapsada no tan densa como un agujero negro, en rotación, que emite radiación a intervalos regulares.
La teoría dice que un agujero negro se forma cuando una estrella masiva acaba su combustible y la gravedad de su propio peso la hace colapsar a un pequeño núcleo. Este acto es frecuentemente acompañado de una explosión, llamada supernova. La teoría de Einstein muestra que la gravedad curva la luz y si el núcleo colapsado de la supernova es suficientemente pesado (al menos unas tres veces más que el Sol), el resultado sería un agujero negro con una gravedad tan fuerte que la luz no podría escapar de sus garras, al menos fuera de la distancia llamada "horizonte de sucesos". Más, cuanto más pesado es el agujero negro, más lejos se extiende el horizonte de sucesos.
Pero en 1975, Stephen Hawking y otro físico, Jacob Bekenstein, dieron un nuevo dolor de cabeza a los físicos concluyendo que estas estrellas colapsadas se evaporan con el tiempo, con una contínua liberación de partículas en una simple radiación, llamada radiación Hawking, desde entonces.
El resultado combina la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica, que explica el comportamiento de las partículas subatómicas.
¿Porqué es esto un dolor de cabezas? Por la famosa "Paradoja de la información" de los agujeros negros. Básicamente, una vez que algo desaparece en un agujero negro, se va irreversiblemente. El ejemplo más conocido de Hawking es el que supone tirar una enciclopedia a un agujero negro. Una vez que pasa el horizonte de sucesos del agujero negro, toda la "información" de la enciclopedia -toda indicación de sus características físicas- se va para siempre. Y, desafortunadamente para la enciclopedia, la radiación de Hawking del agujero negro no traería de vuelta información de ningún volumen engullido por el agujero, por definición. Así que, en este sentido, la información (por ejemplo, la localización de toda la tinta y las moléculas del papel en el volumen) ha sido destruída.
Sin embargo, esto viola otro principio de la mecánica cuántica que sostiene que la "información" dentro de un sistema no puede ser completamente destruída. De allí la paradoja.
Varias soluciones para el dilema han emergido con los años. En 2004, el mismo Hawking sugirió que la mecánica cuántica deja abierta una puerta de escapa a su propia trampa, aludiendo que la radiación contiene información.
Pero un paper recientemente aceptado para su publicación en el periódico Physical Review D, va un poco más lejos.
Los investigadores Tanmay Vachaspati, Dejan Stojkovic y Lawrence Krauss de la Universidad Case Western Reserve, sugieren que el horizonte de sucesos nunca se llegan a formar, dejando lugar para una especie de radiación Hawking, que obviaría la paradoja de la información. Por lo que los agujeros negros se disiparían lentamente antes de haberse verdaderamente formado.
En el paper, el equipo se pregunta qué ve un observador distante de una estrella colpasante. Esta es una pregunta interesante, dice Krauss, porque hay una pequeña chance que los aceleradores de partículas como el LHC del CERN podrían ver agujeros negro microscópicos formándose en los experimentos que se iniciarían en 2008. El equipo se pregunta qué clase de radiación Hawking emergería de esos colapsos mientras ocurren.
Como la radiación Hawking se lleva la masa del agujero negro, evaporándolo, cualquier "pre-radiación" quitaría similarmente masa de la estrella en colpaso, disminuyendo lentamente la distancia entre el horizonte de sucesos y el centro del agujero negro. Si escapa suficiente radiación antes del colpaso, el agujero negro se evaporaría completamente antes de tener chance de formarse.
Y eso es lo que parece que le ocurre a un agujero negro en un colapso, concluye el equipo. "En cambio, el verdadero horizonte de sucesos nunca se forma en un colpaso gravitacional", dice el estudio. En vez de formarse un completo horizonte de sucesos desde el cual la luz no puede escapar, el agujero negro podría estar en un estado de perpetuo colapso que podría durar mucho, mucho tiempo para grandes estrellas, "al menos, visto por un observador externo localizado muy lejos", sugiere Krauss.
"Es un resultado intrigante, realmente el comienzo de una convesación", reconoce Krauss. Pero como los agujeros negros son entre los más interesantes temas en física, él sugiere que realizarse preguntas acerca de sus propiedades vale la pena claramente.
Los resultados del paper "sugieren que la radiación Hawking podría tener un evecto mucho más grande de lo que se espera comúnmente", dice el físico Don Marolf de la Universidad de California. "Sería muy interesante si evidencia sólida pueda encontrarse que apoye esta idea".
Más allá de CERN, algunos astrofísicos esperan ver agujeros negros en las próximas décadas, ya sea microscópicos en lugares como el Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger en Argentina, o el super masivo agujero que se cree reside en el centro de nuestra galaxia vía telescopios.
"Como la presencia de un horizonte de sucesos es considerado la única completamente inequívoca firma de un agujero negro (para distinguirlo de una estrella de neutrones u otros objetos ultra compactos), la afirmación de este trabajo de que no hay horizontes de sucesos podría ser importante", dice el astrónomo de NASA Michael Loewenstein del Centro Espacial Goddard, por e-mail. "No me resulta claro cómo las observaciones astronómicas que parecen apoyar la existencia de horizontes de sucesos serían re-interpretadas, y cómo las predicciones de comportamiento y apariencia de la materia colapsada diferiría", comenta con precaución.
En todos estos casos, podríamos estar "viendo el colapso gravitacional de materia y podríamos no ver efectos asociados con un horizonte de sucesos de agujero negro", concluye el estudio. "Sólo los efectos ocurriendo durante el colapso graviacional en sí mismo parecen ser visibles".
En pocas palabras, lo que los investigadores parecen concluir es que los agujeros negros pierden masa más rápidamente que al ganarla, por lo que los horizontes de sucesos nunca alcanzarían a formarse.
"La radiación no-térmica puede llevar información en ella a diferencia de la radiación termal. Esto significa que un observador exterior viendo un objeto colapsar recibe radiación no-térmica de vuelta y puede ser capaz de reconstruir toda la información en el objeto inicial y así la información nunca se pierde", dicen los investigadores.
"Un observador externo nunca perderá un objeto en un agujero negro" dice Stojkovic. "Si tú estás sentado fuera y tiras algo a un agujero negro, permanecerá fuera del horizonte de sucesos incluso si uno considera los efectos de la mecánica cuántica. De hecho, como en mecánica cuántica el observador juega un rol importante en la medición, la pregunta sobre la formación de un horizonte de sucesos es mucho más sutil de considerar"
Los físicos se apuran a asegurar a astrónomos y astrofísicos que lo observado sobre gravedad colapsando masas continúa siendo cierto, pero lo controversial acerca del nuevo descubrimiento es que "para el punto de vista de un observador externo toma una infinita cantidad de tiempo en formarse un horizonte de sucesos y así los relojes para los objetos cayendo al agujero negro parecerán disminuir a cero", explica Krauss, director de el Centro de Educación e Investigación en Cosmología de la Universidad Case.
Aclaremos sobre ésto último: Einstein mostró que al incrementarse la gravedad, el tiempo parece ir más lento. Si hay dos personas, una muy cerca de un agujero negro y otra más lejos, la persona más alejada vería el reloj de la otra persona yendo más despacio. Mientras más fuerte sea la gravedad, el tiempo parecerá ir más lento.
Phil Plait, en su Badastronomy blog, se pregunta cómo se forma entonces el agujero negro si esto es así. Y responde :"Imagina el núcleo colapsando y tú estás viéndolo desde lejos. Lov verás haciéndose más chico, pero el colapso parecerá ir más despacio también, por la dilatación del tiempo. Como la paradoja de Zenón, verías la velocidad de escape aproximarse a la velocidad de la luz, pero no verías que realmente la alcance jamás. El tiempo se estiraría infinitamente y el colpaso del núcleo te parecería que se detuvo.
Ahora bien, como se apuntó antes, la radiación Hawking hace perder masa al agujero negro hasta evaporarlo.
Para un observador externo, el horizonte de sucesos no se vería formar porque tardaría una cantidad infinita de tiempo. Tiempo durante el cual el agujero va perdiendo masa. Por lo que los dos efectos compiten con lo que finalmente lo que se vería es que el agujero se evapora antes de que el horizonte llegue a formarse.
En pocas palabras, lo que los investigadores parecen concluir es que los agujeros negros pierden masa más rápidamente que al ganarla, por lo que los horizontes de sucesos nunca alcanzarían a formarse.
No hay que perder de vista que, aunque suele definirse a un agujero negro como un objeto ultra compacto que posee un horizonte de sucesos, el que no tenga éste último, no quita que el objeto siga existiendo.
Evidentemente el paper provoca polémicas que sólo deberían generar mayor investigación y debate sobre estos objetos que tanto atraen por su poder y magnificencia.
Fuentes y links relacionados
Carmen A. Núñez (I.A.F.E. – CONICET)
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