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  • Writer's pictureAlice Meraviglia

Los físicos identifican una membrana cuántica en la fusión de agujeros negros

Updated: Jan 23, 2022

por Andrey Feldman / 2022 Ene 12

Algunas teorías de la gravedad predicen la existencia de una membrana cuántica, y los científicos podrían estar un paso más cerca de identificar una.


Un equipo internacional de físicos ha analizado la estructura de una onda gravitacional emitida por dos agujeros negros en fusión y ha identificado un fenómeno largamente buscado: una membrana cuántica, también conocida como horizonte estirado, que existe justo fuera del horizonte de sucesos, y cuya existencia presumiblemente afecta al comportamiento de los campos gravitacionales y no gravitacionales en las proximidades de un agujero negro.


La existencia de dicha membrana es predicha por algunas teorías de la gravedad cuántica, un campo de la física teórica que trata de describir la gravedad utilizando los principios de la mecánica cuántica.


La unificación de la mecánica cuántica y la relatividad general -la teoría geométrica de la gravedad- ha sido un santo grial para los físicos durante casi un siglo, y se han propuesto varias teorías de la gravedad cuántica. Dicha unificación es necesaria para entender qué ocurrió en nuestro universo en los primeros instantes de su existencia, y cómo resolver una singularidad de densidad infinita en los centros de los agujeros negros.


La verificación experimental es extremadamente complicada porque casi no hay forma de estudiarla en un laboratorio. La escala de energía típica en la que los efectos de la gravedad cuántica adquieren importancia es muchos órdenes de magnitud superior a la energía de las partículas que se puede alcanzar en los colisionadores. Por eso es muy importante encontrar otra forma de estudiar la gravedad cuántica.


Los sistemas físicos cuyo comportamiento es más probable que se vea afectado en gran medida por la gravedad cuántica son los agujeros negros -incluso los estudios puramente teóricos de estos objetos han dado lugar a importantes avances en el desarrollo del tema. La descripción relativista general clásica de los agujeros negros implica el horizonte de sucesos: una superficie esférica que cubre la singularidad espaciotemporal. Ninguna señal procedente del interior del agujero negro puede cruzar el horizonte y llegar a un observador lejano, porque la gravedad del agujero negro es tan fuerte allí que ni siquiera la luz puede escapar de ella.


La distancia esperada entre el horizonte de sucesos de un agujero negro y una membrana cuántica es del orden de la longitud de Planck, una escala de longitud típica de la gravedad cuántica, que es tanto menor que el tamaño de un átomo como éste es menor que el radio de la órbita de la Tierra. Los teóricos prevén que, a distancias tan pequeñas, nuestra concepción actual del espacio-tiempo como entidad lisa se rompe, y se necesita una teoría completa de la gravedad cuántica para describir cuantitativamente lo que ocurre allí.


Si la membrana cuántica existe, debería producirse un fenómeno llamado eco gravitatorio. Un agujero negro está rodeado por una barrera en la que la forma del campo gravitatorio del agujero negro es tal que impide que cualquier cosa, incluidas las ondas gravitatorias - ondulaciones en el tejido del espaciotiempo - escapen de las proximidades del horizonte.


Debido a los efectos cuánticos, una onda gravitacional puede atravesar parcialmente esta barrera y al mismo tiempo reflejarse parcialmente en el agujero negro. Pero si existe un horizonte estirado justo fuera del horizonte de sucesos, la onda gravitacional que cae se refleja una segunda vez, y puede atravesar la barrera. Se espera que el intervalo de tiempo entre estos "ecos" de la misma onda sea del orden de un segundo, pero el valor exacto depende del tamaño del agujero negro y de la estructura precisa de la membrana, que difiere según la teoría de la gravedad cuántica.


Una forma de investigar la estructura del horizonte estirado es estudiar las ondas gravitacionales muy potentes, que se generan cuando dos agujeros negros se acercan en espiral y se fusionan en uno solo. En los últimos milisegundos de este proceso, un pequeño porcentaje de la masa total de los agujeros negros se libera en forma de ondas gravitacionales. La potencia de esta radiación gravitacional supera a veces la potencia combinada de todas las ondas luminosas radiadas por todas las estrellas del universo observable. En los primeros momentos de su vida, el agujero negro recién formado se asienta en una forma estable oscilando y emitiendo más ondas gravitacionales, llamándose esta etapa de fusión "ringdown".


Las ondas gravitacionales de este origen pueden ser detectadas por los observatorios gravitacionales, los más famosos de los cuales son el estadounidense LIGO y el europeo Virgo, situado en Italia. Hasta ahora, los científicos han encontrado casi 50 eventos de fusión de agujeros negros con estos dos detectores.


Para estudiar experimentalmente la estructura de la membrana cuántica, el equipo de físicos analizó uno de estos eventos, llamado GW19052, el par de agujeros negros en fusión más masivo observado hasta la fecha. En este suceso, la energía total de las ondas gravitacionales emitidas equivalía a unas nueve masas de nuestro Sol, lo que dio lugar a un timbre excepcionalmente fuerte.


El análisis del equipo pudo identificar exactamente lo que buscaban: un eco de ondas gravitacionales en la señal que llegó al detector aproximadamente 1,1 segundos después de la parte principal de la radiación gravitacional. El eco era bastante fuerte: transportaba alrededor del 10 por ciento de la energía total de la radiación gravitacional emitida en el evento de fusión.


Este es el estudio más preciso de la energía y la forma de onda del eco de las ondas gravitacionales tras la fusión hasta la fecha. Los físicos esperan que la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales permita no sólo detectar la membrana, sino también investigar su estructura con mayor detalle, lo que, con suerte, les permitirá llegar a una conclusión definitiva sobre la teoría correcta de la gravedad cuántica.

Reference: Jahed Abedi et al., GW190521: First Measurement of Stimulated Hawking Radiation from Black Holes, (2021). DOI: arXiv:2201.00047


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