Físicos crean un agujero negro de luz en el laboratorio para probar la escurridiza radiación de Stephen Hawking
Durante más de medio siglo, la radiación de Hawking ha ocupado un lugar central en la física teórica. En 1974, el físico británico Stephen Hawking planteó que los agujeros negros no son completamente oscuros, sino que deberían emitir una tenue radiación térmica capaz de hacerlos perder masa de forma gradual hasta evaporarse. Sin embargo, esa señal resulta tan débil que ningún observatorio ha logrado detectarla en un agujero negro real.
Un equipo internacional de investigadores consiguió acercarse a esa predicción mediante un experimento de laboratorio. En lugar de estudiar un agujero negro en el espacio, los científicos crearon un análogo con pulsos de luz dentro de una fibra óptica de cristal fotónico. El trabajo, publicado en la revista Nature, permitió observar un comportamiento equivalente a la radiación de Hawking y, por primera vez, detectar el efecto que esa emisión produce sobre el sistema que la genera.
¿Cómo lograron crear un agujero negro con luz?
El experimento reprodujo una de las características más importantes de un agujero negro: el horizonte de sucesos, la frontera a partir de la cual nada puede escapar. Para conseguirlo, los investigadores emplearon una fibra óptica especial y enviaron un intenso pulso de luz, conocido como pulso de bombeo, que modificó ligeramente la forma en que la fibra transmitía la luz. Ese cambio creó una especie de barrera móvil.
Después, el equipo hizo pasar un segundo pulso, mucho más débil, denominado pulso de prueba. Cuando este dejó de poder seguir el ritmo de la barrera luminosa, apareció un horizonte artificial con un comportamiento equivalente al de un agujero negro.
"En óptica necesitamos un material que parezca moverse a la velocidad de la luz. Para ello utilizamos la propia luz; en la óptica no lineal, la luz actúa como un material", explicó Ulf Leonhardt, físico del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y coautor del estudio.
¿Qué reveló el experimento sobre la radiación de Hawking?
Los investigadores detectaron fotones en la región ultravioleta con una longitud de onda cercana a los 233 nanómetros. Esas partículas correspondían a la pareja de fotones que, según la teoría de Hawking, surge cerca del horizonte de sucesos. "Contamos fotones en el ultravioleta que corresponden a los compañeros de Hawking más allá del horizonte. Esa fue nuestra señal", afirmó Leonhardt.
El estudio también demostró que la radiación apareció mediante una única interacción directa entre los pulsos de luz, en lugar de producirse a través de una cadena de procesos intermedios, como se pensaba hasta ahora. Además, los científicos observaron por primera vez la llamada reacción de retroalimentación, un pequeño cambio en el pulso principal que evidencia que la generación de esa radiación consume energía del sistema, un fenómeno equivalente a la pérdida gradual de masa que experimentaría un agujero negro real.
¿Por qué este hallazgo es importante para la física?
La investigación también aporta información sobre el llamado problema transplanckiano, uno de los mayores desafíos de la física moderna. Las ecuaciones de Hawking indican que el origen de esa radiación se sitúa en escalas incluso menores que la escala de Planck, un límite donde las teorías actuales dejan de describir con certeza el comportamiento del espacio y el tiempo.
"Todo rayo de luz que escapa del horizonte se estira enormemente. Por eso debe proceder de ondas más pequeñas que la escala más diminuta de la naturaleza, donde la física es desconocida. La pregunta era si aun así aparecería la radiación de Hawking, y nuestro experimento la ha respondido", señaló Leonhardt.
El siguiente objetivo del equipo consiste en llevar el experimento al régimen cuántico para observar fenómenos como el entrelazamiento entre las partículas emitidas, una de las predicciones más relevantes de la teoría planteada por Hawking.