Ionización de Átomos Gravitacionales

Por: William Brown, Biofísico  de Resonance Science Foundation

Los agujeros negros de masa estelar, al igual que las partículas elementales, son objetos notablemente simples. Tienen tres propiedades primarias observables: masa, espín y carga eléctrica. Las similitudes con las partículas elementales, como el protón, no acaban ahí, ya que los agujeros negros de masa estelar en sistemas binarios también pueden formar estados ligados y no ligados debido a la interacción de nubes orbitales (de condensados de bosones), asombrosamente análogos al comportamiento y las propiedades de los átomos.  

El giro de los agujeros negros de masa estelar es una propiedad especialmente significativa, ya que los agujeros negros tienen rotaciones rápidas que generan una región del espacio llamada ergosfera alrededor del horizonte de sucesos, donde el torque en el espaciotiempo es tan grande que un objeto tendría que viajar a una velocidad superior a la de la luz sólo para permanecer en una órbita estacionaria. El análisis de esta región ha dado lugar a algunas predicciones físicas interesantes, una de las cuales es el fenómeno de la superradiancia. Cuando una onda (ya sea de radiación electromagnética o de materia) entra en la ergosfera con una trayectoria específica, puede salir del entorno del agujero negro con una amplitud mayor que aquella con la que entró -este proceso de amplificación se denomina superradiancia del agujero negro. Fue un efecto descrito por primera vez por Roger Penrose hace casi 50 años y describe cómo se puede extraer trabajo de la ergosfera de un agujero negro [1].

Aunque el efecto suena exótico y misterioso, y uno podría atribuirlo ingenuamente a los efectos gravitacionales no lineales dentro de la ergosfera, en realidad se trata de un efecto puramente cinemático, y la superradiancia de los agujeros negros no es más que otra manifestación del fenómeno de la superradiancia que se produce en una variedad de sistemas. Por ejemplo, la radiación Cherenkov que se produce en los reactores nucleares, donde las partículas cargadas emitidas que viajan más rápido que la velocidad de la luz en un medio acuoso (donde la velocidad de la luz es inferior a c) da lugar a la emisión espontánea de radiación, lo que se conoce como superradiancia de movimiento inercial.

Otra predicción interesante que se desprende del análisis de la región de la ergosfera es el efecto de la superradiancia en la generación del láser de los agujeros negros, por el que las ondas bosónicas masivas forman estados ligados con el agujero negro y pueden crecer exponencialmente a partir del aumento de la amplitud (un efecto que puede conducir a la hipotética "bomba de agujero negro". Las inestabilidades superradiantes pueden crear nubes de bosones ultraligeros, formando un estado notablemente análogo al de un átomo. Los astrofísicos que estudian este efecto se refieren a estos agujeros negros como "átomos gravitacionales", en los que las nubes bosónicas resultantes tienen niveles orbitales específicos permitidos, similares a los orbitales de los electrones alrededor de un núcleo de hidrógeno. Ahora, un estudio reciente ha demostrado que estas nubes ultraligeras de bosones pueden sufrir un proceso similar a la ionización, induciendo la unión dentro de los átomos gravitacionales binarios (agujeros negros) de forma análoga al efecto fotoeléctrico en la física atómica [2].

_{Figure 1. Diagrama esquemático de un átomo gravitacional en una inspiral binaria ecuatorial. La posición de la compañera con masa M∗ puede describirse mediante la distancia entre los dos agujeros negros, R∗, y el ángulo polar ϕ∗. Descripción de la figura y crédito de la imagen, véase la referencia [3].} 

El estudio dirigido por Daniel Baumann, del Gravitation Astroparticle Physics Amsterdam (GRAPPA) de la universidad de Ámsterdam, y en colaboración con John Stout, de la Universidad de Harvard, también describe cómo puede observarse el efecto de ionización del átomo gravitacional mediante el análisis de firmas específicas dentro de las ondas gravitacionales (en la astronomía de ondas gravitacionales) emitidas por inspirales binarios [3].

Un ejemplo particularmente bien estudiado de nueva física, accesible con las futuras observaciones de GW, son los bosones ultraligeros. Dichos bosones pueden generarse por superradiancia... formando condensados de larga duración ("nubes") alrededor de agujeros negros en rotación. Debido a su gran similitud con el átomo de hidrógeno, estos sistemas se han llamado "átomos gravitacionales". En el caso de los átomos gravitacionales aislados, hay esencialmente dos formas de inferir la presencia de estas nubes de bosones. En primer lugar, las nubes en rotación emitirán ondas gravitacionales que pueden buscarse en las búsquedas de ondas continuas. En segundo lugar, las nubes extraen el espín de sus agujeros negros progenitores y este giro puede inferirse estadísticamente en una población de agujeros negros en rotación. La existencia de agujeros negros que giran rápidamente descartaría entonces la existencia de bosones ultraligeros en un determinado rango de masas. Desgraciadamente, ninguno de estos efectos es muy característico, por lo que es difícil utilizarlos como forma de descubrir inequívocamente átomos gravitacionales en el cielo. -D. Baumann, G. Bertone, J. Stout y G. M. Tomaselli, "Ionization of Gravitational Atoms", Phys. Rev. D, vol. 105, nº 11, p. 115036, junio de 2022.

Los investigadores determinan que, según su modelo, la ionización y la consiguiente unión de átomos gravitacionales del sistema binario darían lugar a una disipación de energía y acelerarían la inspiral y la fusión de los dos agujeros negros. Esto daría lugar a lo que los investigadores describen como "torceduras" distintivas en la evolución de la frecuencia de las ondas gravitacionales emitidas, una característica aguda que debería ser detectable en el análisis de las ondas gravitacionales de algunos sistemas binarios en fusión. Un descubrimiento de este tipo nos ofrecería una visión importante sobre las partículas bosónicas ultraligeras cuya existencia sólo se ha teorizado en la actualidad y, sin embargo, podría resolver innumerables rompecabezas de la física, como el problema de la carga fuerte y la paridad (el problema de la carga fuerte tiene que ver con la aparentemente fuerte preservación de la simetría CP - véase el artículo: The 'Strong CP Problem' Is The Most Underrated Puzzle In All Of Physics).

RSF en Perspectiva

Si es lógico considerar a los agujeros negros de masa estelar como átomos gravitacionales -y puede que pronto sea posible observar su ionización y unión en sistemas binarios mediante el análisis de la firma de ondas gravitacionales resultante-, no es tan exagerado considerar a los átomos como agujeros negros cuánticos. De hecho, se pueden enumerar las similitudes en las propiedades y los comportamientos, y la idea de la fuerza de enlace fuerte como una interacción gravitacional se ha considerado anteriormente en la física [4]. La objeción común es que la interacción gravitatoria es supuestamente demasiado débil para explicar el confinamiento nuclear, sin embargo, como muestra el físico Nassim Haramein en su última investigación, basada en parte en cálculos gravitoelectromagnéticos, existe un efecto de apantallamiento en la fuerza gravitatoria fuerte de los agujeros negros cuánticos (protones), de tal manera que sigue un potencial de Yukawa, que difiere de una ley cuadrática inversa.

La relación entre las constantes a través de nuestros factores de escala calculados, derivados de la relación holográfica fundamental Φ, se confirma además con el cálculo preciso de la masa del electrón, el radio del electrón, el magnetrón de Bohr y la masa del protón, todos conocidos a 10-10 por mediciones. Como resultado, podemos demostrar una clara relación entre la escala clásica de la constante gravitacional y los espectros de energía cuántica de la escala atómica a partir del primer principio de los principios teóricos solamente. Haramein y Alirol, Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma (Invarianza Bajo Escalas en una Unificación de Campos, Fuerzas y Partículas en el Plasma del Vacío Cuántico), abstracto preimpreso 2020.

Aunque la unificación de partículas, fuerzas y constantes en la aplicación de Haramein se basa en los primeros principios -la mecánica puede delinearse y describirse completamente, a diferencia de lo que ocurre en otros modelos gravitacionales cuánticos-, el enfoque no es tan diferente de los que se encuentran en la teoría de cuerdas que reconoce una importante dualidad entre las teorías similares a la gravedad y a la QCD, como en la correspondencia anti de Sitter / cromodinámica cuántica. Dichas teorías AdS/QCD, por ejemplo, muestran que el entrelazamiento cuántico es análogo a la geometría del espaciotiempo multiconectado en la Relatividad General, de manera que dos agujeros negros conectados por un agujero de gusano tienen las mismas propiedades y comportamientos que dos partículas que están entrelazadas cuánticamente. A medida que se establezcan más similitudes, las distinciones entre un átomo gravitacional y un agujero negro cuántico permitirán comprender mejor hasta dónde llega la "analogía".

Referencias

[1] R. Penrose, Riv.Nuovo Cim., 1, 252 (1969).

[2] D. Baumann, G. Bertone, J. Stout, and G. M. Tomaselli, “Ionization of Gravitational Atoms,” Phys. Rev. D, vol. 105, no. 11, p. 115036, Jun. 2022, doi: 10.1103/PhysRevD.105.115036

[3] D. Baumann, G. Bertone, J. Stout, and G. M. Tomaselli, “Sharp Signals of Boson Clouds in Black Hole Binary Inspirals,” Phys. Rev. Lett., vol. 128, no. 22, p. 221102, Jun. 2022, doi: 10.1103/PhysRevLett.128.221102

[4] C. Sivaram and K. P. Sinha, “Strong gravity, black holes, and hadrons,” Phys. Rev. D, vol. 16, no. 6, pp. 1975–1978, Sep. 1977, doi: 10.1103/PhysRevD.16.1975