Probablemente sería el arma más destructiva del universo: una bomba con un agujero negro. Para hacer esto, solo debes envolver el monstruo galáctico con espejos, y después de cierto tiempo lo hace «¡Bum!». Los investigadores de Hendrik Ulbricht de la Universidad de Southampton ahora han detectado este principio de «Superradianz» en el laboratorio, pero con un cilindro de metal giratorio en lugar de un agujero negro, como se informó en un estudio que aún no se ha examinado. «Este trabajo muestra que una bomba de agujeros negros se puede construir en el laboratorio», dice el físico Vitoria Cardoso del Niels-Bohr-Institut de Copenhague, que no ha estado involucrado en el estudio. «Ofrece una base sólida para examinar toda la física de los agujeros negros».
Los agujeros negros se encuentran entre los objetos más extraños del universo. Combinan tanta masa en un espacio confinado que dobla el espacio: el tiempo en una curva inconmensurable. Si te acercas demasiado a ellos, la atracción es tan grande que nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. El matemático Roger Penrose es uno de los pioneros que examinó matemáticamente los agujeros negros en detalle y recibió el Premio Nobel de Física en 2020. Cuando enfrentó agujeros negros rotativos 51 años antes, encontró algo sorprendente.
Como Penrose sabía, no hay nada en nuestro cosmos, incluso los agujeros negros no lo están. Los monstruos de masa dan la vuelta y distorsionan el espacio. Forman una especie de strudel. Si un objeto se acerca a esto, se acelera cada vez más en un camino espiral. Incluso antes de que el objeto ocurra en el horizonte de los eventos, desde los cuales ya no puede escapar de las embragues de la gravedad, termina en un área que el cuerpo llama «ergosfera». Allí, el objeto debe moverse más rápido que la luz para escapar de la rotación alrededor del agujero negro.
Esta ergosfera es un lugar extraño, como encontró Penrose. Porque se permite tener objetos para tener energía negativa. Por ejemplo, una partícula podría dividirse: en parte con más negativa y una con energía positiva. El primero luego se sumergió en el agujero negro (y, por lo tanto, reduciría la energía del agujero negro), mientras que la otra parte puede escapar de las embragues del monstruo galáctico. Entonces, un espectador externo ve un objeto con energía Y Acostado en el agujero negro, que luego escapa con una energía más alta. El agujero negro pierde parte de su energía rotativa.
Agujeros negros como fuente de energía
Esto podría servir agujeros negros como fuentes gigantescas de energía. Porque no solo objetos enormes pueden ganar energía de esta manera, sino que las ondas electromagnéticas también podrían verse reforzadas por agujeros negros. Por lo tanto, la física comenzó a imaginar cómo las formas extraterrestres de la vida podrían usar el fenómeno conocido como Super Radiator para generar energía. Pero incluso si este refuerzo de señal se puede describir en papel, todavía es imposible observarlo en agujeros negros reales. Por lo tanto, el súper radiador inicialmente permaneció solo especulación.
Dos años después del trabajo de Penrose, el físico Yakov Zevich se dio cuenta de que no solo se pueden registrar agujeros negros en fuentes de energía. Cada cuerpo axial axial giratoria inmética que absorbe la radiación electromagnética, como un cilindro de metal, puede aumentar la radiación en ciertas circunstancias. «En pocas palabras, el absorbedor giratorio debe girarse más rápido que la rotación de fase de la radiación del accidente», explica la física Maria Chiara Braidotti de la Universidad de Glasgow, que estuvo involucrada en el último trabajo. «Si se cumple esta condición, el coeficiente de absorción del cilindro cambia el signo y, por lo tanto, fortalece la radiación».
«Stephen Hawking no creía en esta idea e intentó refutarla»Marion Cromb, físico
Zel’dovich también ha dado un paso más: para Superradianz, ni siquiera es una onda electromagnética de entrada: el proceso podría incluso tener lugar en el vacío. Porque el vacío está lejos de ser vacío. En cualquier momento, los pares de partículas y anti -partículas aparecen en cualquier momento que se destruyan de inmediato. El fenómeno se conoce como la fluctuación del vacío. Y estas fluctuaciones también podrían reforzarse cerca de agujeros negros o un cilindro de metal giratorio. «Stephen Hawking no creía en esta idea e intentó refutarla», explica Marion Crom, quien buscaba el grupo Ulbricht en la Universidad de Southampton y estuvo involucrado en el nuevo trabajo. «No solo admitió que Zevich tenía razón, sino que también podía demostrar que incluso los agujeros negros giratorios (sin ergosfera) emitieron espontáneamente la radiación, lo que llevó al descubrimiento de la radiación de halcón».
Según los cálculos teóricos, sin embargo, el superradianz en el vacío era tan pequeño que no se podía demostrar. A menos que esta señal se fortalezca. Según lo descrito por Zel’dovich, el cuerpo giratorio (agujero negro o cilindro de metal) podría envolverse con espejos que reflejan el aumento de la radiación nuevamente al cuerpo giratorio, lo que lo hace más intenso, una y otra vez. Como reconocieron los físicos William Press y Saul Teukolsky, se podría construir una bomba de este tipo: en el espejo hay tanta energía que hay una explosión gigantesca. Luego, los investigadores describieron la estructura como una bomba de agujero negro.
Dependiendo de cuánta energía giratoria tiene el orificio negro o el cilindro de metal, un extremo diferente también es concebible que una explosión gigantesca. El cardoso describió y sus colegas en un trabajo publicado en 2004. El Superradianz puede detenerse si el agujero negro o el cilindro de metal perdonan demasiado antes de la explosión.
Explosiones de laboratorio
El equipo alrededor de Ulbricht ahora quería probar todos estos pronósticos teóricos en el laboratorio. «Inicialmente pensamos que sería demasiado difícil observar el efecto real», dice Braidotti. Dado que un cilindro debería girar muy rápido, tan rápido que sería destruido, explica el cuerpo. Es por eso que inicialmente se ha dedicado a sistemas más simples en los que puede ocurrir Superradianz, incluida una estructura con ondas de sonido. «El punto de inflexión fue que notamos cómo las frecuencias de los campos electromagnéticos pueden reducirse fácilmente para que sean más pequeñas que las frecuencias giratorias del cilindro de metal», explica Ulbricht, la cabeza del último experimento. Solo necesitaban circuitos alternativos para esto. «Este descubrimiento abrió la oportunidad de realizar el experimento con ondas electromagnéticas», explica Braidotti.
«La mayor dificultad fue que las cosas explotaban constantemente»Marion Cromb, físico
Por lo tanto, el equipo de investigación se dedicó a superradianz electromagnético. «La misma estructura experimental es bastante simple: consiste en un cilindro giratorio y las bobinas del estator de un motor de inducción disponible en el mercado, combinado con algunos condensadores y resistencias», explica Crom. Estos dispositivos se han colocado alrededor del cilindro metálico para que generen un campo magnético en el interior, y por lo tanto la radiación electromagnética, y al mismo tiempo el papel de un espejo, ya que reflejaron ondas electromagnéticas.
«La mayor dificultad fue que las cosas funcionan constantemente», dice Cromb. »Era una caminata de cuerda entre medir una señal razonable y sobrecargar el sistema. Si la electricidad se ha vuelto demasiado alta a través de las bobinas, las resistencias en el circuito han cruzado su voltaje nominal y quemado. Esto interrumpió el circuito así destruyó el «espejo». »
Inicialmente, los investigadores temían que la pérdida de la señal en la estructura experimental, por ejemplo en resistencia, pudiera ser demasiado grande para observar el súper radiador. Pero tuvieron suerte. «El refuerzo fue lo suficientemente grande como para superar la pérdida y entrar en el área de inestabilidad», explica Crom. De hecho, los expertos han podido demostrar que la tensión en su estructura y Zevich aumentan exponencialmente. Luego, los expertos implementaron la versión electromagnética de una bomba negra por primera vez y hoyo en el laboratorio.
Superradianz sin una fuente de radiación?
Luego probó Crom y el equipo probado si el súper radiador puede tener lugar en el vacío: ¿es una señal electromagnética en la estructura descrita descrita sin un campo magnético? No fue posible verificar directamente esta tesis porque llevó a cabo el experimento a temperatura ambiente. En consecuencia, las fluctuaciones del vacío están oscurecidas por las fluctuaciones térmicas, pero las primeras son muy similares. Un ruido de fondo térmico genera espontáneamente ondas electromagnéticas que teóricamente se pueden reforzar.
Los investigadores también pudieron demostrarlo en su experimento. Al elegir la velocidad de rotación correcta del cilindro, generaron ondas electromagnéticas de la nada. Y los expertos previstos por Cardoso confirmaron: el Superradianz pierde el cilindro de metal su energía rotativa, lo que evita una explosión de la estructura.
Lo especial del trabajo es, según Ulbricht, en particular la simplicidad del experimento. «Muchos físicos piensan que ya se han realizado todos los experimentos simples y que el nuevo conocimiento sobre los conceptos básicos de la física solo puede provenir de proyectos muy elaborados y muy caros», informa Ulbricht. «Hemos mostrado lo contrario».
«Esto significa que los agujeros negros se pueden usar como frenos parciales gigantes»Vitor cardoso, físico
«No esperaba que alguien hiciera ese experimento ahora», dice Cardoso. El día en que apareció el nuevo trabajo, acaba de celebrar una conferencia en la Universidad de Bangalore, India. «Hablé de Superradianz y le dije al público que nadie ha mostrado el súper radiador electromagnético o el efecto de bombardeo en el laboratorio. ¡Así que puedes imaginar mi sorpresa cuando vi la tarjeta poco después!»
Cardoso está convencido de que el nuevo trabajo podría hacer posible en el futuro de saber más sobre los agujeros negros. «Superradianz es un efecto clásico poco conocido y juega un papel importante en la física de los agujeros negros», explica. Por ejemplo, las partículas extremadamente livianas, como la evaluación o los tipos especiales de fotones que se consideran candidatos para la materia oscura, pueden absorber la energía giratoria de los agujeros negros, lo que fortalece sus señales. «Esto significa que los agujeros negros se pueden usar como frenos parciales gigantes», dice Cardoso. El nuevo trabajo permite que estas hipótesis se prueben con más precisión en el laboratorio.
Ulbricht quiere realizar la versión cuántica del experimento en el futuro, es decir, observar la producción espontánea de ondas electromagnéticas y su refuerzo del vacío. La evidencia de que la súper radiación ocurre a través de fluctuaciones térmicas muestra que el efecto también ocurriría en principio en las fluctuaciones cuánticas, porque en ambos casos son fluctuaciones aleatorias. Sin embargo, los experimentos directos con fluctuaciones vacías podrían abrir oportunidades completamente nuevas para el mundo profesional. «Sería un gran punto de inflexión para la física», dijo Ulbricht. «Por lo tanto, podría explorar el vacío cuántico de una manera nueva y tal vez comprender en unas pocas décadas si, en principio, es posible generar energía a partir del vacío, sería una nueva fuente de energía inagotable».
