Agujeros Negros Descritos como Átomos Gravitacionales

El Perimeter Institute describe el estado de unión de un agujero negro y las partículas como un "átomo gravitacional".

Por: William Brown

En un artículo publicado por el Perimeter Institute de Física Teórica y la Universidad de Stanford, los investigadores describen cómo los agujeros negros astronómicos pueden unir las partículas circundantes para formar un átomo gravitacional análogo al hidrógeno, en el que el agujero negro actúa como núcleo y las partículas circundantes forman un estado similar a la nube de electrones.

Aunque la idea de un átomo gravitacional puede parecer novedosa, los principios que subyacen a dicho estado fueron descritos en la década de 1960 por el físico Roger Penrose, quien demostró que la energía y el momento angular pueden extraerse de la región circundante de los agujeros negros.

Antes de Penrose, en los años 50, el físico John Archibald Wheeler formuló una descripción de los objetos gravitatorios-electromagnéticos conocidos como geones  -geons [1], en los que la energía electromagnética puede llegar a ser tan alta que se curva sobre sí misma debido a la interacción gravitatoria, formando un agujero negro con forma de toroide, y que en realidad parecerá casi idéntica a una partícula subatómica elemental (una solución que produce "masa sin masa", sin necesidad de Higgs).

En tiempos más recientes, a partir de los años 90, el físico Nassim Haramein demostró cómo los "átomos gravitacionales" (para usar la jerga del  Perimeter Institute) en los que los protones son agujeros negros, son la clave para entender las propiedades fundamentales de la materia, así como la acción de la gravedad cuántica (que surge de las oscilaciones electromagnéticas a escala de Planck del vacío cuántico), unificando la física desde la escala cuántica hasta la cosmológica.

La idea clave del reciente artículo consiste en comprender que los agujeros negros astronómicos y la esfera de partículas asociada que los rodea pueden considerarse átomos macroscópicos (la afirmación recíproca también es válida, en la que los átomos son diminutos agujeros negros). De hecho, en su anuncio, el Instituto comienza explicando cómo las partículas pueden ser esencialmente de cualquier tamaño:

"Las partículas pueden ser enormes", explica Asimina Arvanitaki, miembro de la facultad del Perimeter Institute y física teórica de partículas. "De hecho, pueden ser más grandes que una habitación, o pueden ser tan grandes como el universo".

Modelar los agujeros negros como átomos de gran tamaño ofrece ventajas particulares para entender los procesos físicos fundamentales y la dinámica, al igual que entender los átomos como agujeros negros pequeños (véase, por ejemplo, el protón de Schwarzschild de Haramein). Uno de estos resultados fenomenales que se teoriza que se produce debido a la unión gravitacional de las partículas en la ergosfera (la región circundante de los agujeros negros que resulta de la alta gravedad y el espín que produce un fuerte efecto magnetogravítico) es un efecto conocido como superradiancia.

El efecto se produce a través del proceso de Penrose, en el que la energía y el momento angular se transfieren desde un agujero negro a una partícula que entra en la región ergo alrededor del horizonte de sucesos. Como la partícula está ligada gravitatoriamente al agujero negro, forma cualquiera de las configuraciones de la función de onda similares a los orbitales de los electrones alrededor del hidrógeno, y por eso se llama átomo gravitatorio. A medida que la onda-partícula resuena dentro de la ergosfera, gana energía y momento angular mediante el proceso de Penrose, y el número de funciones de onda se amplifica, es decir, se producen partículas desde la ergosfera del agujero negro. A medida que el efecto continúa, el número de partículas crece exponencialmente. Esto se denomina superradiancia (la superradiancia se observa en fenómenos como la radiación Cherenkov, que se produce cuando las partículas viajan a través de una sustancia dieléctrica más rápido que la velocidad de la luz para ese medio, produciendo una onda de choque similar a los fenómenos supersónicos en el aire).

Cabe señalar que en el informe los investigadores se refieren específicamente a una partícula conjeturada a partir de la cromodinámica cuántica (QCD) del Modelo Estándar de la física de partículas, conocida como el axión QCD. Al igual que la fuerza fuerte, el axión QCD se inventó ad hoc, para explicar problemas particulares asociados al modelo QCD de la fuerza fuerte. Por ejemplo, Gerard 't Hooft demostró que, debido a la estructura no trivial del vacío, las interacciones fuertes modeladas por la QCD darían lugar a un gran momento dipolar eléctrico para el neutrón, que no se observa. Para superar este desacuerdo observacional con el Modelo Estándar, se introdujo el axión QCD. Por sus propiedades teóricas, se cree que es un buen candidato a materia oscura. Además, se teoriza que los axiones tienen un diámetro de hasta 15 kilómetros, lo suficientemente grande como para formar una onda resonante con la ergosfera de un agujero negro estelar.

En la superradiancia, similar a la emisión espontánea o estimulada de fotones por parte de los electrones en los átomos (esta última da lugar al láser, y de hecho existen láseres de superradiancia), la esfera de partículas alrededor de un agujero negro puede oscilar entre orbitales de alta y baja energía. Aquí, Arvanitaki y sus colaboradores de la Universidad de Stanford plantean una interesante hipótesis: la transición de las partículas superradiantes de un nivel orbital alto a uno bajo debería dar lugar a la emisión de gravitones (unidades cuánticas de las ondas gravitacionales). El Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferómetro Láser (LIGO) ha detectado ondas gravitacionales. La detección de ondas gravitacionales emitidas por el proceso de superradiación de los átomos de los agujeros negros gravitacionales podría verificar tales estados.

La teoría es especialmente interesante para los físicos de Resonance Science Foundation, ya que establece un estrecho paralelismo entre los agujeros negros y las partículas subatómicas, como el protón, demostrando que la similitud de un agujero negro de masa estelar con un átomo real es muy estrecha. Además, Haramein ha descrito la formación del núcleo atómico a través de la gravedad cuántica (utilizando y unificando propiedades tanto cuánticas como relativistas), pero a menudo se le ha preguntado cómo describe el modelo los electrones y los orbitales de los electrones de los átomos. Para ello, Haramein ha descrito el orbital del electrón como la región de la ergosfera del protón del agujero negro, una conclusión que recuerda mucho a la teoría anterior que acaban de publicar los investigadores del Perimeter Institute y la Universidad de Stanford. La detección de las emisiones de gravitones de los átomos de los agujeros negros podría suponer una importante validación empírica de la Gravedad Cuántica y de la Masa Holográfica, ¡un resultado que esperaremos con gran expectación!

[1] Asociada a una perturbación electromagnética hay una masa, cuya atracción gravitatoria, en circunstancias apropiadas, es capaz de mantener la perturbación durante un tiempo largo en comparación con los períodos característicos del sistema. Estas entidades gravitatorias-electromagnéticas, o "geones", se analizan mediante la teoría clásica de la relatividad.