Mis compartidos

martes, 13 de mayo de 2008

Un poco sobre agujeros negros

La historia de hoy tiene un punto de complejidad. No porque lo que vaya a explicar sea muy difícil, en absoluto, sino porque utilizo varios conceptos explicados en artículos anteriores. Son tres particularmente, casi cuatro. Primero: un agujero negro es un objeto cuya velocidad de escape es la velocidad de la luz. Segundo: concepto de entropía. Tercero y casi cuarto: las partículas virtuales y un ejemplo que valió un Nobel. Pues bien, con todo ello, haremos un cóctel en nuestra historia de hoy.

Y es que hace poco leí una noticia en que dos hombres han puesto una querella en la que dicen que, con la puesta en marcha del LHC, podrían generarse agujeros negros microscópicos que podrían tragarse la Tierra. Bien, como todas las cosas, uno no puede demostrar ni dejar de demostrar, pero si realmente eso llega a juicio, me gustaría ver las pruebas aportadas. Por otro lado, hace poco que murió John Archibald Wheeler, el hombre que acuñó el término “agujero negro”. Eso me da pie a hablaros de los agujeros negros y profundizar un poco sobre ellos.

Veamos, si tiramos una piedra al aire, vuelve a caer debido al campo gravitatorio de la Tierra. Si la tiramos más fuerte, llegará más lejos, y si más fuerte, más lejos todavía; pero siempre volverá (o quedará en órbita, pero siempre atada a la gravedad de la Tierra). Esto es así a no ser que la lancéis a 11,2 km/s. La Tierra no tiene suficiente gravedad como para hacer volver un objeto tan rápido. A esa velocidad se le llama velocidad de escape.

Supongamos que la tierra tuviera más masa pero sin variar sus dimensiones. En ese caso, la velocidad de escape aumentaría: tendríamos que lanzar esa piedra a más velocidad. Sigamos aumentando más y más la masa de nuestro planeta hasta llegar al punto en que su velocidad de escape fuera 300.000 km/s. Nada podría escapar. Por muy deprisa que lanzáramos nuestra piedra, no tendríamos nada que hacer, pues no es posible superar la velocidad de la luz. Como nada podría salir, ni siquiera la luz, tendríamos un agujero negro.

Como la velocidad de escape la habíamos medido en la superficie de la Tierra, dicha superficie sería el horizonte de sucesos. Todo agujero negro tiene un horizonte de sucesos: los puntos donde la velocidad de escape es exactamente la de la luz. Un objeto puede acercarse a un agujero negro y volver para contar la experiencia, pero como rebase el horizonte de sucesos ya no podrá volver. Ni siquiera podrá emitir información al exterior y decirnos algo.

Fabricar un agujero negro, aunque sea pequeño, no es trivial. Por ejemplo, si una persona tiene una masa de 70 Kg, entonces, para transformarse en un agujero negro, tendría que comprimirse a un volumen de una esfera de 10-23 centímetros de diámetro. Ningún proceso tiene la suficiente energía como para poder lograr eso. La única situación que conocemos hoy en que se generan agujeros negros es en la fase final de las estrellas. Objetos de 1033 Kg se transforman en agujeros negros, pero no una persona de 70 Kg.

Habréis oído muchas veces que la densidad de los agujeros negros es enorme. Esto es cierto para los de masas estelares, pero hay que tener en cuenta que el radio del agujero negro se incrementa linealmente con la masa, mientras que la densidad decae con el cuadrado de la misma. O sea, que los agujeros negros súper masivos pueden tener menor densidad que la del agua.

Vamos allá por la década de 1970. Un estudiante posgraduado de Princeton llamado Jacob Bekenstein hizo notar que no se destruye entropía si se arroja a un agujero negro. Por ejemplo: si tenemos un café caliente que se está enfriando, la entropía del Universo aumenta (siempre aumenta), pero si arrojamos ahora ese café hacia el agujero negro y pasa el horizonte de sucesos, ¿cómo podemos detectar la información del aumento de entropía? ¿es que la entropía deja de aumentar dentro un agujero negro?

Bekenstein razonó que al arrojar el café al agujero negro, este último aumentaba su radio. Así que el horizonte de sucesos debía tener algo que ver con la entropía del mismo. Más aún: el horizonte de sucesos era la entropía. Pero esto nos lleva, a priori, a un punto contradictorio con la física clásica: si algo tiene entropía, tiene temperatura y si algo tiene temperatura emite energía. Ahora resulta que de un agujero negro puede salir energía. ¿No habíamos quedado que de un agujero negro no puede salir nada? Llegados a este punto, hemos de plantear otra pregunta: en caso de emitir energía ¿cuál es el mecanismo?

Stephen Hawking pensó, en un principio, que Bekenstein estaba equivocado. En 1962, el famoso físico había escogido estudiar cosmología: el estudio de lo muy grande; pero en 1973 cambió de bando y en vez de estudiar teorías de lo muy grande, pasó a estudiar mecánica cuántica, que es la teoría de lo muy pequeño. Y ese es el punto donde Hawking atacó.

Estamos acostumbrados a no recibir nada de la Naturaleza a cambio de nada. Para que un coche funcione, hemos de poner gasolina, etc. Pero en el mundo cuántico, la cosa es algo diferente. Ya os hablé del principio de incertidumbre y las partículas virtuales. La Naturaleza presta energía a cambio de nada, pues dicha energía está sujeta al principio de incertidumbre. Con esa energía se pueden formar, por ejemplo, partículas. Recordad, no obstante, que ese préstamo de energía debe ser reembolsado antes que podamos medirlo, y si había una partícula, desaparece. Esas partículas no podemos detectarlas. Son partículas virtuales. El espacio entero está rodeado de ellas. En un instante determinado, en un cubo de 1 cm de lado, puede haber hasta 1030 partículas virtuales.

Pero cuidado: este préstamo de energía no tiene correspondencia con otras características. Por ejemplo, no puede prestar una carga. La ley de la conservación de la carga no puede saltárselo la madre naturaleza ni por un instante. Así que si, por ejemplo, se crea un electrón, también deberá crearse un positrón, de manera que la creación neta de carga es nula.

Las partículas virtuales son indetectables, pero sin su existencia, determinados comportamientos de la materia serían inexplicables. No obstante, hay circunstancias excepcionales en las que esas partículas pueden hacerse reales, y pueden explicar, por ejemplo, el comportamiento de las fuerzas.

Ahora, pensemos en qué sucede con las partículas virtuales que se crean en el horizonte de sucesos o muy cerca del mismo. Supongamos que tenemos la creación de una pareja electrón-positrón. Imaginemos ahora que una partícula queda a un lado del horizonte de sucesos y la otra fuera. La que ha caído dentro no puede volver. La partícula que ha quedado fuera no puede aniquilarse con su homóloga que ha caído dentro e inmediatamente cobra vida real. La energía para la creación de esa partícula ha sido extraída del agujero negro, con lo que este último debe perder masa. En otras palabras: el agujero negro se evapora.

Este es el mecanismo conocido como radiación Hawking. Ahora hablemos de la tasa de evaporación de un agujero negro. Cuanto más masivo es, más baja es su temperatura y más lentamente se da esta evaporación. La vida de un agujero negro es proporcional al cubo de su masa. Un agujero negro de la masa del Sol (2*1033 gramos) tendría una temperatura de una diezmillonésima de grado Kelvin y tardaría 1065 años en evaporarse; claro que esto será posible siempre que el ambiente que lo rodea está más frío que él. La temperatura media del Universo es de 3º Kelvin y para que los agujeros negros así se evaporen tendremos que esperar 1020 años que es cuando el Universo alcanzará esa temperatura.

Una agujero negro de unas 10 masas solares sólo emitiría unos pocos miles de fotones por segundo y esa energía es tan poca que apenas podríamos detectarla. Hay que decir también que según va emitiendo fotones un agujero negro, se va haciendo más pequeño, con lo que aumenta su temperatura hasta que llegue a tener el tamaño de un protón. En ese momento, esos diminutos agujeros negros emitirían mucha energía: una explosión brutal de ella. Serían más bien agujeros blancos.

Hawking dijo que en los primeros momentos del Big Bang (en las primeras fracciones de segundo, se entiende) pudieron existir multitud de pequeños agujeros negros llamados primordiales que tendrían una temperatura de 120 mil millones de grados Kelvin y el tamaño de un protón. La energía que emitirían sería de 6.000 megavatios, equivalente a la producción de varias centrales nucleares. Al cabo de 15.000 millones de años, se habría reducido su masa a 20 microgramos y a un castillo de fuegos artificiales. El mini agujero negro acaba su existencia con una explosión equivalente a 10 millones de bombas de hidrógeno de un megatón y un brillo equivalente a 10 billones de galaxias. La radiación gamma que emitirían sería la más energética jamás detectada. Pero (y es un pero importante) nunca se ha detectado; así que la existencia de agujeros negros primordiales sigue siendo, tan sólo, una hipótesis.

Y la creación de una cosa así por parte del LHC … en un posible juicio.

Visto en Historias de la Ciencia

No hay comentarios: