Los Agujeros Negros se Convierten en Bosenovas: Investigadores Estudian los Efectos de la Superradiancia en el Crecimiento del Campo Bosónico Desbocado Alrededor de los Agujeros Negros

John Wheeler, uno de los físicos más destacados del siglo XX -cuyos trabajos hicieron avanzar los campos de la relatividad general, la mecánica cuántica y la unión de ambos en el estudio de los agujeros negros-, afirmó en una ocasión que "un agujero negro no tiene pelo". John Wheeler tenía el don de acuñar esas afirmaciones memorables y un tanto curiosas que dejarían un impacto indeleble en la física.

De hecho, esta idea se conoció como el "teorema del no pelo", que consiste en decir que los agujeros negros, al igual que las partículas elementales, tienen tres propiedades: masa, giro y carga. Según la teoría convencional, una vez que se forma un agujero negro, cualquier propiedad que se haya atribuido a la "materia" que lo formó -para la que el pelo es una metáfora- se borra por completo y se reduce a masa, momento angular y carga.

A medida que el estudio y la elucidación de la física de los agujeros negros ha ido avanzando, el teorema de la ausencia de pelo se ha sometido a un escrutinio cada vez mayor. En la década de 1970, el físico Stephen Hawking estudió el efecto de la fuerte curvatura gravitatoria de un agujero negro sobre la estructura del campo cuántico cerca del horizonte de sucesos y determinó que esta debía provocar la radiación de partículas del vacío. Las partículas emitidas transportarían energía fuera del agujero negro y, por tanto, evaporarían lentamente su masa. Lo que siguió fue uno de los mayores debates de la física, ¿esta energía radiada del vacío, de alguna manera entrelazada con el área trans-horizonte, se lleva la información de lo que hay dentro del agujero negro? Si no es así, ¿qué ocurre con toda esa información que una vez caracterizó a la materia que creó el agujero negro? La teoría cuántica estipula que la información debe conservarse, así que ¿se escapa la información del agujero negro al igual que la masa? En otras palabras, ¿tiene pelo el agujero negro?

El físico Nassim Haramein ofreció una solución a esta aparente paradoja con la elucidación de una idea totalmente nueva denominada el Todo Negro, en la que la dinámica convencional de un agujero negro se equilibra con la de un agujero blanco, de modo que existe un flujo de información en continuo equilibrio a través del horizonte de sucesos. Al igual que se ha demostrado que las fluctuaciones cuánticas del vacío transportan masa-energía fuera de los agujeros negros, también se ha demostrado cómo determinados acoplamientos de la estructura del vacío pueden contribuir al crecimiento de los agujeros negros (particular couplings of vacuum structure can contribute to black hole growth). Aunque la corriente dominante parecía no reconocer la solución de Haramein, más tarde sería aprovechada de forma independiente en el trabajo de Leonard Susskind, profesor de física teórica de la Universidad de Stanford, para resolver la paradoja del cortafuegos AMPS. Consulte nuestro artículo: Firewalls o Cool Horizons.

Con la detección de las ondas gravitacionales, la cuestión está pasando del trabajo puramente teórico a la evaluación empírica real. El análisis de la señal de las ondas gravitacionales procedentes de la fusión de agujeros negros puede contener datos sobre si el horizonte de sucesos es suave o turbulento, es decir, si los agujeros negros tienen pelo o no.

Imagen: los ecos secundarios de las ondas gravitacionales podrían ser una prueba de los efectos cuánticos y de la estructura de Planck alrededor del horizonte de sucesos de los agujeros negros.

En un nuevo estudio que utiliza simulaciones de la dinámica de los agujeros negros, William East, del Instituto Perimetral de Física Teórica (Canadá), y Frans Pretorius, de la Universidad de Princeton, han evaluado la posibilidad de un fenómeno exótico en torno a los agujeros negros en el que pueden crecer espontáneamente "cabellos largos". A través de un efecto relacionado con la propiedad superfluida del espacio, también conocida como materia oscura ondulada (wave dark matter), el momento angular de los agujeros negros podría acoplarse con campos bosónicos y amplificar exponencialmente la energía a través de la superradiancia. Este efecto podría transferir hasta un 9% de la masa de un agujero negro a la región de la ergosfera fuera del horizonte de sucesos, comparable al proceso de Penrose, teorizado por Roger Penrose, por el que se puede extraer energía del momento angular de los agujeros negros. Obsérvese que en este escenario el agujero negro forma esencialmente un átomo gravitacional, donde los axiones u otros cuantos de campos bosónicos desempeñan el papel de electrones en el orbital exterior y el agujero negro es el núcleo.

Los cálculos demuestran que la amplificación desbocada del campo bosónico alrededor de un agujero negro puede dar lugar a un fenómeno realmente notable, conocido como bomba de agujero negro, análogo a la bosenova observada en los experimentos de condensados de Bose-Einstein. Esencialmente, el campo bosónico que rodea al agujero negro crece con tanta energía (por las interacciones no lineales) que finalmente se vuelve inestable, colapsa sobre sí mismo y explota, lo que recuerda al efecto del colapso estelar que conduce a una supernova, de ahí el juego de palabras "bosenova". Lo emocionante de esta última sugerencia teórica es que es totalmente comprobable: si los agujeros negros crean condensados de Bose-Einstein no lineales a su alrededor que acaban convirtiéndose en nova, la luz de esas explosiones puede detectarse y analizarse. La identificación exitosa de un evento de este tipo puede proporcionar potencialmente datos observacionales que ayuden a resolver el debate sobre la ausencia de pelo y, por tanto, una importante cuestión pendiente en la estructura cuántica de los agujeros negros.

Sin embargo, el trabajo de East y Pretorius parece sugerir que la llamada bomba de los agujeros negros podría no ser realmente explosiva: que en lugar de ser un proceso no lineal o exponencial, un agujero negro "crecerá de manera" suave y controlada, dando lugar a un agujero negro incrustado en un campo bosónico masivo BEC, orbitando exactamente a la misma frecuencia angular que el horizonte del agujero negro.

Esto deja la detección de tales efectos a la decodificación de las ondas gravitacionales, que pueden contener signos reveladores de la estructura cuántica en torno a los agujeros negros, datos experimentales inestimables para avanzar en la física unificada.

Artículo: https://physics.aps.org/articles/v10/83