Esta ilustración muestra un agujero negro supermasivo en el centro de casi todas las galaxias. Sin embargo, en ocasiones esos agujeros negros son derribados o completamente expulsados de sus galaxias. Crédito de la imagen: NASA’S Goddard Space Flight Center, DPAC / GAIA / ESA
Para traer la física de los agujeros negros a la Tierra, los científicos crearon un vórtice hecho de diminutas piezas cuánticas.
Las áreas que rodean los agujeros negros son entornos violentos y turbulentos impulsados por una física única en el universo debido a las inmensas fuerzas gravitatorias. En realidad, los agujeros negros tienen una influencia tan grande que, al girar, llevan consigo el tejido del espacio. En otras palabras, nada permanece inmóvil cerca de un agujero negro. En absoluto.
Es evidente que los agujeros negros no pueden ser llevados a la Tierra, por lo que solo se pueden estudiar sus efectos en un laboratorio. Sin embargo, un equipo de investigación liderado por científicos de la Universidad de Nottingham ha logrado encontrar algo similar. En un superfluido de helio a temperaturas ultrafrías, los investigadores crearon por primera vez un «vórtice cuántico» giratorio. Este dispositivo se asemeja a un agujero negro que se encuentra en un laboratorio de nuestro planeta.
El tornado cuántico generó ondas diminutas en la superficie del superfluido, que es un material capaz de mostrar un flujo sin fricción (o una viscosidad increíblemente baja) y otros comportamientos exóticos observados a temperaturas cercanas al cero absoluto. Estos comportamientos son similares a las circunstancias que ocurren cerca de los agujeros negros en rotación.
Patrik Svancara, jefe del equipo e investigador de la Universidad de Nottingham, declaró en un comunicado que el uso de helio superfluido le ha permitido estudiar diminutas ondas superficiales con mayor detalle y precisión que con nuestros experimentos anteriores en agua. Pudimos investigar minuciosamente la interacción del helio superfluido con el tornado superfluido y comparar los resultados con nuestras propias proyecciones teóricas porque su viscosidad es muy baja.
Tornados espaciotemporales
Para entender por qué un vórtice superfluido podría parecerse a un agujero negro, es fundamental recordar lo que la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 nos dice sobre los agujeros negros. Cuando los objetos de masa hacen que el espaciotiempo se curve, surge la gravedad, según la relatividad general.
Los agujeros negros no son objetos, sino áreas del espacio-tiempo creadas por una masa infinitamente densa y compacta, una singularidad central en la que se rompen las leyes de la física. El horizonte de sucesos es el límite exterior de estas áreas de espaciotiempo y representa el punto en el que ni siquiera la luz puede igualar la velocidad de escape del agujero negro.
Solo hay tres características conocidas para los agujeros negros: carga eléctrica, masa y momento angular o «giro». Un agujero negro en movimiento, también conocido como «agujero negro de Kerr», tiene un momento angular que arrastra el tejido del espaciotiempo en la dirección de su rotación, lo que se conoce como «arrastre del marco»( frame-dragging) o efecto Lense-Thirring, en honor a los científicos que lo idearon por primera vez.
Tiene sentido que un vórtice en un fluido, o quizá un tornado en la atmósfera, sea muy similar a una región del espaciotiempo de este tipo, ya que el efecto Lense-Thirring obliga a la materia que rodea a un agujero negro de Kerr a un movimiento constante. El vórtice de simulación de agujero negro del equipo, sin embargo, no se encuentra en ningún fluido. Se hizo en un superfluido que se enfrió hasta el cero absoluto.
Para llevar a cabo su experimento, el equipo creó un sistema criogénico a medida que podía contener varios litros de helio y enfriarlo a temperaturas inferiores a -456 grados Fahrenheit (-271 grados Celsius). Es decir, entre 3 y 4 grados por encima del cero absoluto, lo que equivale a menos 273,15 grados Celsius o 459,76 grados Fahrenheit. En teoría, la temperatura más fría posible es cero absoluto. Todo movimiento atómico cesaría en el cero absoluto.
El helio líquido experimenta propiedades cuánticas que normalmente impiden la formación de vórtices gigantes a las temperaturas alcanzadas por el experimento. Utilizando una gran cantidad de piezas más pequeñas, el equipo finalmente construyó un tornado cuántico en el superfluido ultrafrío.
«El helio superfluido contiene objetos diminutos llamados vórtices cuánticos, que tienden a separarse unos de otros», continúa Svancara. «En nuestro montaje, hemos conseguido confinar decenas de miles de estos cuantos, en un objeto compacto parecido a un pequeño tornado, logrando un flujo de vórtices con una fuerza récord en el reino de los fluidos cuánticos».
Svancara y sus compañeros descubrieron interesantes similitudes entre el tornado cuántico y cómo la gravedad de los agujeros negros afecta el espaciotiempo. Esperan que el experimento abra una vía para simular la física cuántica más ampliamente dentro del espaciotiempo curvo en general, e incluso alrededor de la curvatura del espaciotiempo de los agujeros negros.
Silke Weinfurtner, directora del Laboratorio de Agujeros Negros donde se llevó a cabo el experimento, explicó que el descubrimiento da signos claros de una física de agujeros negros ya en nuestro experimento analógico inicial en el 2017, significó un gran avance para comprender algunos de los fenómenos extraños que con frecuencia son desafiantes, si no imposibles, de estudiar de otra manera
Weinfurtner afirmó que, con el actual experimento, se avanzó en la investigación. Se podría predecir cómo se comportan los campos cuánticos en los espaciotiempos curvos alrededor de los agujeros negros astrofísicos.
El miércoles 20 de marzo, la investigación del equipo fue publicada en la revista Nature.
REFERENCIAS
Gravity Laboratory: https://www.gravitylaboratory.com/
Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07176-8
