3 de Febrero de 2022
Agujeros negros

¿Los primeros signos de la radiación de Hawking?

Un equipo de investigadores asegura haber observado «ecos» en las ondas gravitacionales procedentes de una fusión de agujeros negros e interpreta que se deben a la emisión estimulada de radiación de Hawking.

Recreación artística de dos agujeros negros cayendo en espiral uno sobre otro antes de fusionarse. [LIGO/Caltech/MIT/Universidad Estatal de Sonoma (Aurore Simonnet)]

En 1974, Stephen Hawking postuló que los agujeros negros no son negros, sino emiten poco a poco radiación térmica. La predicción de Hawking sacudió profundamente la física, porque implicaba que los agujeros negros no perduran para siempre, sino que se van evaporando durante eones hasta desaparecer.

Solo había un pequeño problema: no hay forma de captar una radiación tan débil. Pero si existiera algún modo de estimular y amplificar esta «radiación de Hawking», quizá sería detectable, según algunos astrofísicos. Y ahora un equipo afirma haber visto signos de ella en las secuelas de la colisión entre agujeros negros más potente jamás observada.

La afirmación, sin embargo, es tremendamente controvertida, porque otras búsquedas de los ecos de ondas gravitacionales que afirman haber observado los investigadores no han hallado nada.

En mayo de 2019, el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO) en EE.UU. y el experimento Virgo en Italia detectaron las ondas gravitacionales (ondulaciones en el tejido del espaciotiempo) procedentes de la colisión de dos agujeros negros con una masa total de 151 soles. La fusión dejó un agujero negro de 142 masas solares y las 9 masas solares restantes se irradiaron, sobre todo en forma de ondas gravitacionales. «Se trata del mayor evento observado hasta la fecha», apunta Jahed Abedi, investigador de la Universidad de Stavanger y coautor de un artículo donde él y sus colaboradores afirman haber medido la radiación de Hawking de esa fusión.

Las ondas gravitacionales de ese evento, llamado GW190521, no solo viajaron hasta interactuar con los detectores de LIGO y Virgo, sino que también incidieron sobre el agujero negro producido en la colisión. Lo que sucedió entonces depende de nuestra visión de la física de los agujeros negros.

Si esos objetos quedan totalmente descritos por la relatividad general de Einstein, entonces poseen un horizonte de sucesos, una frontera sin retorno donde puede caer cualquier cosa, pero de la que nada puede escapar. «En la imagen estándar de un agujero negro, el horizonte de sucesos absorbe toda la radiación», explica Paolo Pani, físico teórico de la Universidad La Sapienza de Roma. Así que las ondas gravitacionales que caen en el agujero deberían desaparecer.

Pero tal vez no sucediera eso. Los físicos creen que para describir completamente los agujeros negros se necesita una combinación de la física cuántica y la relatividad general. En ese caso, parte de las ondas gravitacionales incidentes podrían reflejarse, ya sea debido a efectos cuánticos cerca del horizonte o porque el objeto compacto y denso creado por la fusión carece de horizonte y posee una cierta estructura interna.

Si fuera así, la información registrada por LIGO, Virgo y otros detectores podría contener signos de esa reflexión, similares a ecos. Al igual que los ecos sonoros, esas señales serían mucho más débiles y se retrasarían ligeramente respecto a las ondas gravitacionales originales de la fusión.

La apariencia de esos ecos depende del modelo físico. Por ejemplo, se piensa que la región inmediatamente exterior al horizonte de un agujero negro es un lugar bullicioso, repleto de pares de partículas virtuales que aparecen y desaparecen. En ocasiones, una de las dos partículas cae al agujero negro y la otra escapa. Y esas partículas que escapan constituyen la radiación de Hawking, pero el proceso es terriblemente lento. En el caso de GW190521, Abedi y sus colaboradores sostienen que las ondas gravitacionales que caen en el agujero remanente podrían acelerar de manera sustancial (o, dicho de otro modo, estimular) la producción de radiación de Hawking.

El proceso sería similar al que tiene lugar durante la emisión estimulada de radiación en los átomos. En este caso, los fotones de la luz inciden sobre electrones excitados de los átomos. Como resultado, esos electrones caen a niveles de energía más bajos y emiten fotones con la misma longitud de onda que los fotones incidentes. En determinadas circunstancias, esa emisión estimulada puede superar con creces la emisión espontánea generada cuando un electrón cae por sí solo a un nivel de energía más bajo y emite un fotón.

El equipo de Abedi aduce que las ondas gravitacionales que interactúan con el horizonte de sucesos de un agujero negro también deberían estimular la producción de radiación de Hawking hasta niveles muy superiores a la emisión espontánea, tornándola así detectable. Esa radiación consistiría en ondas gravitacionales con la misma longitud de onda que las ondas incidentes, pero mucho menos intensas.

Los investigadores afirman haber visto signos de esa emisión estimulada de radiación de Hawking procedente del agujero negro creado en el evento GW190521. Emplearon dos métodos distintos para analizar los datos registrados por LIGO y Virgo. El primero consistía en comparar dos modelos: uno basado únicamente en la relatividad general, sin ecos o señales posteriores a la fusión, y otro que incluía la radiación de Hawking estimulada. «La conclusión de esa comparación es que el modelo con radiación estimulada tras la fusión es siete veces más probable», asegura Abedi.

El segundo método no dependía de ningún modelo concreto y simplemente buscaba ráfagas coherentes de ondas gravitacionales posteriores a la fusión en varios detectores. Y el equipo afirma que halló tales ráfagas. «[Los dos métodos] concuerdan», sentencia Abedi.

El análisis estadístico de los autores arroja una probabilidad del 0,5 por ciento (una posibilidad entre 200) de que la supuesta señal no sea más que ruido. Por lo general, para que los físicos proclamen un descubrimiento, las probabilidades de que se trate de una falsa alarma deben ser inferiores a una entre un millón. En consecuencia, Pani, que no intervino en el trabajo, se muestra prudente. «La significación estadística sin duda es demasiado baja para anunciar una medición», advierte.

«No es [una] señal muy fuerte», admite Abedi. Pero añade que con los detectores de ondas gravitacionales actuales no se puede hacer más. «Tenemos las miras puestas en la próxima generación de detectores.»

Pani está de acuerdo en que un instrumento como la Antena Espacial de Interferometría Láser (LISA), un proyecto liderado por la Agencia Espacial Europea cuyo lanzamiento está previsto para finales de la década de 2030, sería más adecuado para estos estudios. «Con los futuros detectores, si hay algo, obtendremos las pruebas necesarias para anunciar una medición», opina.

Sin embargo, incluso si la significación estadística de la señal fuera mayor, Pani seguiría mostrándose crítico con la interpretación del equipo de Abedi de que eso constituye una prueba de la radiación de Hawking. «Podrían haber anunciado la medición de ecos de las ondas gravitacionales. Afirmar que eso es radiación de Hawking estimulada supone un gran salto conceptual», señala Pani. «En otros modelos, podría tratarse de algo distinto.»

En diciembre, los equipos de LIGO, Virgo y el Detector de Ondas Gravitacionales de Kamioka (KAGRA) en Japón publicaron conjuntamente un artículo preliminar con su último análisis de datos de las ondas gravitacionales. Estudiaron 15 eventos, 14 fusiones de dos agujeros negros y 1 entre un agujero negro y una estrella de neutrones, registrados por dos o más detectores.

«En ese análisis estaba GW190521. No hallamos pruebas de ecos ni de ninguna otra desviación respecto a las predicciones de la relatividad general», detalla Daniel Holz, miembro del equipo de LIGO en la Universidad de Chicago. «Sería muy emocionante que existieran ecos, o cualquier otra desviación especulativa, pero por ahora no parece haber indicios convincentes de ellos en los datos. Hasta la fecha, la teoría de Einstein ha superado todas las pruebas. Es embarazosamente eficaz y precisa.»

Entretanto, Pani mantiene los ojos bien abiertos para ver si se confirma la afirmación de Abedi y sus colaboradores sobre la radiación de Hawking estimulada, o sobre los ecos en general. «Si se ratificase en un futuro, sería un gran paso para el campo», concluye Pani, «porque ofrecería una especie de ventana a las propiedades cuánticas de los agujeros negros, que no sería posible observar por otros medios».

Anil Ananthaswamy 

Referencia: «GW190521: First measurement of stimulated Hawking radiation from black holes», Jahed Abedi, Luís Felipe Longo Micchi y Niayesh Afshordi en arXiv:2201.00047 [gr-qc], 31 de diciembre de 2021.

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