Probablemente sean los objetos más fascinantes de la física: se tragan todo lo que se encuentra a su alrededor, incluso la luz. No es de extrañar que los agujeros negros hayan capturado nuestra imaginación durante décadas. A ellos se les han dedicado canciones, novelas y películas enteras. Aunque ahora se sabe mucho sobre los agujeros negros desde el punto de vista científico (uno de ellos fue fotografiado por primera vez en 2019), todavía esconden algunos secretos. Por ejemplo, hasta ahora los expertos han planteado la hipótesis de que podrían existir agujeros negros «libres de materia». La teoría dice que si se concentrara luz con suficiente energía en un pequeño punto del espacio, se podría crear un agujero negro, llamado centella. Como informa ahora un equipo dirigido por el físico Álvaro Álvarez-Domínguez en la revista “Physical Review Letters”, un efecto cuántico impide la formación de agujeros negros a partir de luz pura.
La teoría general de la relatividad de Einstein describe cómo la masa y la energía curvan el espacio-tiempo. Esta deformación geométrica provoca entonces el fenómeno de la gravedad. Poco después de la publicación de Einstein, el astrónomo Karl Schwarzschild observó que la teoría permitía estructuras extremadamente extrañas. Si se concentra mucha masa en un punto, se puede doblar el espacio hasta tal punto que se crea un «horizonte de sucesos»: en este entorno nada puede escapar a la atracción gravitatoria, ni siquiera la luz. Ahora se ha confirmado la existencia de tales agujeros negros. Se forman cuando estrellas masivas colapsan en una explosión de supernova al final de su ciclo de vida, lo que hace que toda la masa colapse en un punto extremadamente denso.
Un disco hecho de relámpagos
Pero los monstruos cósmicos también podrían surgir de otras formas. Según la famosa fórmula Y = mc2 la masa es igual a la energía; Entonces los agujeros negros podrían formarse sin materia, como los átomos. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, si la radiación electromagnética se concentrara en un pequeño punto, el espacio podría curvarse lo suficiente como para crear un horizonte de sucesos y, por tanto, un agujero negro. Esto ha dado lugar a especulaciones científicas descabelladas en el pasado: tales centellas podrían ser candidatas para la materia oscura, explicar la evaporación de hipotéticos “agujeros blancos” (lo opuesto a los agujeros negros, que expulsan materia), o incluso servir como propulsión para futuros nave espacial interestelar.
«El trabajo anterior ignoraba los efectos cuánticos»Alvaro Alvarez-Domínguez, Luis J. Garay, Eduardo Martín-Martínez, José Polo-Gómez, físicos
Sin embargo, todavía no se ha podido comprobar si realmente existen los agujeros negros formados por luz. Según la teoría de Einstein, se necesitarían al menos 10 para la producción en laboratorio.50Esto requiere intensidades veces superiores a las que los láseres más potentes han podido alcanzar hasta ahora. Pero incluso si se produjeran enormes avances en la tecnología láser, los intentos de utilizarla para crear un horizonte de sucesos estarían condenados al fracaso. Así lo demuestra el trabajo del grupo de investigación liderado por Álvarez-Domínguez.
«Los trabajos anteriores (sobre agujeros negros hechos de luz) ignoran los efectos cuánticos», escriben los físicos en su publicación. Estos fenómenos cuánticos desempeñan un papel importante en los agujeros negros. A medida que la materia se comprime mucho, entran en juego fuerzas electromagnéticas y nucleares que no pueden ignorarse, como deja claro el trabajo de Stephen Hawking, entre otros. Sin embargo, esto se dedicó a los agujeros negros “ordinarios” hechos de materia. Pero los efectos cuánticos también ocurren con luz láser concentrada de alta energía. Entre otras cosas, puede suceder que de repente aparezcan partículas de la nada.
Una lluvia de partículas surgidas de la nada
La razón de esto es el principio de incertidumbre de Heisenberg. Esto significa que la energía y el tiempo no se pueden resolver con precisión. La naturaleza puede, en cierto sentido, “tomar prestada” energía por momentos extremadamente breves. Esto significa que, incluso en el vacío, se crean continuamente durante un breve periodo de tiempo pares partícula-antipartícula (como un electrón y un positrón) y luego se destruyen de nuevo inmediatamente. Sin embargo, estos pares de partículas crepitantes difieren de las partículas reales, por lo que se les llama “virtuales”. Por ejemplo, es imposible medir directamente partículas virtuales, pero sí sus efectos.
Sin embargo, fuertes campos electromagnéticos podrían transformar partículas virtuales en partículas reales, según el efecto Schwinger teóricamente predicho y descrito en los años cincuenta. Si el campo es lo suficientemente fuerte, los pares de partículas virtuales cargadas no pueden volver a encontrarse y aniquilarse entre sí. Por ejemplo, el electrón virtual sería acelerado en una dirección y el positrón virtual en otra. El efecto Schwinger crea una auténtica lluvia de partículas en el espacio inicialmente vacío. Sin embargo, como la energía no puede surgir de la nada, la intensidad del campo electromagnético disminuye.
Los físicos que trabajan con Álvarez-Domínguez han cuantificado exactamente cuánto está debilitado el campo. Según sus cálculos, debido al efecto Schwinger se pierde tanta energía que es imposible crear un agujero negro sólo con luz. La radiación electromagnética no puede concentrarse lo suficiente como para curvar el espacio-tiempo en consecuencia.
Todavía existe una laguna jurídica para los rayos en forma de bola. En el universo primitivo, es posible que hubiera regiones del espacio-tiempo extremadamente curvadas debido a fluctuaciones cuánticas. Si en ese momento se hubieran acumulado fotones en estas zonas, entonces todavía podrían existir agujeros negros formados por luz. Sin embargo, la luz no habría creado el agujero negro, sino que habría aterrizado allí por accidente. Un motor de cohete interestelar hecho de centellas permanece fuera de nuestro alcance por el momento.
