Un equipo de investigadores ha afirmado haber detectado recientemente una firma reveladora de radiación Hawking estimulada procedente de un agujero negro posterior a la fusión. Si el análisis de los datos de las ondas gravitacionales realizado por los investigadores es correcto, podrían haber hallado la primera prueba de la existencia de una estructura cuántica a escala de Planck en el horizonte de sucesos de un agujero negro (horizontes cuánticos). La firma clave de un horizonte no clásico es una señal de eco en las ondas gravitacionales que se detectan tras el evento de fusión primaria de un sistema binario de agujeros negros. Las pruebas son provisionales, pero no por ello menos tentadoras. Estas investigaciones son fundamentales para avanzar en la comprensión de los efectos cuánticos de la gravedad fuerte, en la que pueden estar trabajando aspectos novedosos de la teoría de la gravedad cuántica, como ejemplifica la notable investigación El Origen de la Masa y la Naturaleza de la Gravedad, en la que el físico Nassim Haramein y sus colegas Olivier Alirol y Cyprien Guermonprez han demostrado que la masa-energía de la radiación Hawking de un mini agujero negro a escala bariónica produce exactamente la energía observada de la masa en reposo del protón, demostrando que la masa en reposo del protón es el resultado de fluctuaciones cuánticas del vacío del campo electromagnético en un espaciotiempo fuertemente curvado. El análisis de los datos de ondas gravitacionales en busca de una firma de eco, la pistola humeante de los horizontes cuánticos y la radiación Hawking, junto con la reciente observación de la radiación Unruh procedente de electrones en aceleración, es una confirmación significativa de las predicciones gravitacionales cuánticas de la física unificada, que vemos en soluciones como la de Haramein et al. son la solución para comprender el origen de la masa y la fuerza que se originan en las fluctuaciones cuánticas del vacío en el espaciotiempo curvado. Es un gran avance porque ya no se puede decir que la radiación Unruh-Hawking sea «sólo teórica».
Científicos detectan ondas gravitacionales en el laboratorio y en el espacio
Las ondas gravitacionales y la correspondiente astronomía de ondas gravitacionales -esta última abarca la detección y el análisis de las ondas gravitacionales- son actualmente una de las señales más reveladoras de los agujeros negros, ya que dichas señales son sensibles a todo el espaciotiempo que rodea a los objetos masivos compactos limitados por horizontes y son nuestro mejor sondeo de regiones de campo fuerte como los horizontes de sucesos. Los procesos electromagnéticos en las proximidades de los agujeros negros sólo pueden sondear la región fuera de la fotosfera, que es la región alrededor de un agujero negro donde los rayos de luz quedan atrapados en órbita. Así pues, no podemos ver más allá de la fotosfera con señales electromagnéticas para, por ejemplo, observar y estudiar el horizonte de sucesos de un agujero negro (curiosamente, contrariamente al término clave que lo caracteriza de «agujero negro», fuera de la fotosfera algunos agujeros negros supermasivos son los objetos más brillantes del universo conocido). Dado que las ondas gravitacionales son señales procedentes de las regiones de campo fuerte de los agujeros negros, nos ofrecen la capacidad de investigar y sondear estas elusivas regiones del espaciotiempo altamente curvadas que normalmente están electromagnéticamente ocultas tras la esfera de luz «congelada» alrededor de la zona del horizonte.
Estas regiones espaciotemporales altamente curvadas, como el horizonte de sucesos, son de importancia crítica para el desarrollo y la comprensión actuales de una teoría de la gravedad cuántica y de la física unificada, ya que la teoría cuántica de campos en modelos espaciotemporales curvados predice emisiones de partículas desde el vacío cuántico por la geometría espaciotemporal altamente curvada de los horizontes de sucesos de los agujeros negros, lo que se conoce como radiación de Hawking. El fascinante fenómeno de la radiación de Hawking fue propuesto hace más de 45 años por Stephen W. Hawking [1]. Utilizando una aproximación semiclásica, es decir, considerando campos cuánticos alrededor de una geometría clásica, Hawking se dio cuenta de que el horizonte de sucesos de un agujero negro en la métrica de Schwarzschild debería emitir partículas sin masa. Los agujeros negros no son totalmente negros. Por el principio de equivalencia, la radiación de Hawking es el mismo fenómeno que la radiación de Unruh, que resulta en la radiación térmica del vacío cuántico como resultado de la aceleración.
Intrigantemente, ha habido evidencia reciente y observación directa de la radiación Unruh-Hawking a nivel de partículas, como se informa en nuestro artículo de la ISF Observación de la Radiación de Unruh-Hawking de los Electrones en Aceleración[2,3]. La detección y verificación de la radiación Unruh-Hawking, a nivel de partículas en electrones acelerados y a escala astronómica en agujeros negros post-fusión, es una verificación altamente significativa de las teorías de efectos de campo cuántico en espaciotiempos curvos y corrobora estudios como El Origen de la Masa y la Naturaleza de la Gravedad, de Haramein et al. [1], donde se demuestra que la radiación tipo Hawking es la que genera la masa en reposo observada del protón, revelando que no sólo los agujeros negros son sistemas cuánticos, sino que algunos de nuestros sistemas cuánticos más quintaesenciales son microagujeros negros.
En conjunción altamente corroborativa con la observación de la radiación Unruh-Hawking a nivel de partículas, hay un informe de análisis realizado sobre datos de ondas gravitacionales del Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) que indica tentativamente la detección de efectos cuánticos en el horizonte de sucesos de un agujero negro post-fusión. Los efectos cuánticos en cuestión son una forma de emisión amplificada de partículas procedentes del vacío cuántico en el horizonte de sucesos del agujero negro, denominada radiación Hawking estimulada. La señal, que el equipo de investigadores afirma haber detectado, es un signo revelador, teorizado desde hace tiempo, de la estructura cuántica a escala de Planck en torno a los agujeros negros (u objetos exóticos masivamente compactos, como las supuestas gravastares y estrellas de bosones), que alterará la forma en que las ondas gravitacionales interactúan con la zona del horizonte, como la reflexión de la radiación que da lugar a ecos de ondas gravitacionales [4].
Figura 1. Izquierda: representación esquemática de cómo se forman físicamente los ecos de ondas gravitacionales tras la fusión de un agujero negro. Las ondas gravitacionales se reflejan dentro de una cavidad entre una membrana / cortafuegos, que es la estructura cuántica a escala de Planck en el horizonte de sucesos, y una barrera de momento angular. Imagen de la derecha: una señal típica de ondas gravitacionales generada por una pequeña estrella que cae en un objeto compacto masivo con horizonte (arriba) y con horizonte cuántico o ausente (abajo). En este último caso, los «ecos» de las ondas gravitacionales aparecen en un momento tardío y proporcionan un indicio de una supuesta estructura cuántica en la membrana (o un agujero de gusano). Imagen y descripción de la imagen adaptadas de Cardoso, Pani – CERN Courier, 2017.
Una señal de ondas gravitacionales típica de una fusión de agujeros negros se parece a la señal superior derecha (etiquetada como ‘agujero negro’) en la Figura 1. Durante la fusión, al transitar por la fotosfera se emite una ráfaga de radiación a la que sigue una secuencia de pulsos apodados «anillos cuasinormales», que vienen determinados por los modos característicos de los agujeros negros. Sin embargo, si en el horizonte de sucesos de un agujero negro hay una estructura a escala cuántica / de Planck, o si el objeto es una nueva clase de espaciotiempos muy curvados, como un agujero de gusano (Figura 2) o una estrella exótica con una superficie compacta, entonces la señal tendrá inicialmente el mismo aspecto pero irá seguida de «ecos» de menor amplitud generados por ondas gravitatorias que «rebotan» entre la fotosfera y la superficie / horizonte del objeto (representación a la izquierda en la Figura 1), generando ecos de ondas gravitatorias que tendrán una señal como la representada en el gráfico inferior derecho de la Figura 1.
Figura 2. Ilustración de un proceso dinámico en el que interviene un objeto compacto sin horizonte. Una partícula puntual se sumerge radialmente (curva roja discontinua) en un espaciotiempo de agujero de gusano y emerge en otro «universo». La curva negra denota la garganta del agujero de gusano, las dos curvas grises son los anillos luminosos. Cuando la partícula atraviesa cada una de estas curvas, excita modos característicos que quedan atrapados entre los pozos de potencial de los anillos luminosos. Esto se ilustra gráficamente en la Figura 3, que muestra las diferentes firmas generadas entre la señal GW de un agujero negro (con un horizonte) y la descrita aquí para un agujero de gusano. Imagen y descripción de la imagen adaptadas de [4].
La señal de «reducción cuasinormal» que sigue a la coalescencia binaria suele tomarse como prueba concluyente de la formación de un horizonte de sucesos tras la fusión; sin embargo, las ondas universales ringdown también pueden formarse a partir de los anillos de luz de un agujero de gusano, en lugar de horizontes, y sólo las observaciones de precisión de la señal ringdown en tiempo tardío pueden distinguir los dos posibles escenarios (Figura 3). Por tanto, la dispersión de ondas gravitacionales de agujeros de gusano producirá firmas de eco reveladoras para la potencial detección e identificación de puentes de Einstein-Rosen formados de forma natural [5].
Figura 3. Señales de eco de ondas gravitacionales Las señales de eco de ondas gravitacionales distinguen un objeto masivo curvado del espaciotiempo sin horizonte (un agujero de gusano) de un agujero negro clásico (con un horizonte de sucesos liso). Figura reproducida de [4]. Volviendo a la Figura 2, cuando una partícula atraviesa los pozos de potencial del anillo luminoso, representados en la Figura 2 por la línea roja discontinua, excita modos característicos que quedan atrapados entre cada curva (los anillos grises de la figura 2), dando lugar a la señal representada gráficamente aquí en la Figura 3 por la curva roja, con un eco característico que es una firma clara de los modos característicos de un agujero de gusano.
Primera Medición de la Radiación Hawking Estimulada Procedente de Agujeros Negros
Un equipo de investigación dirigido por Niayesh Afshordi, profesor de astrofísica de la Universidad de Waterloo, analizó los datos de uno de los eventos de fusión de agujeros negros binarios más masivos observados hasta la fecha, conocido como GW190521, y encontró pruebas convincentes (aunque no concluyentes) de radiación Hawking estimulada [6]. Se esperaba que la radiación Hawking estimulada del evento de coalescencia GW190521 formara ecos gravitatorios posteriores a la fusión debido a la reflexión parcial de la estructura cuántica planckiana del horizonte. La radiación Hawking estimulada es una forma de amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación (LASER), en la que la radiación es de la variedad Unruh-Hawking (véase nuestro anterior artículo de la ISF La pareja analógica agujero blanco-agujero negro demuestra cómo los horizontes de sucesos son fábricas sintonizables de entrelazamiento cuántico para saber más sobre la observación y las mediciones de la radiación Hawking cuántica entrelazada estimulada). La radiación Hawking estimulada que conduce al láser de los agujeros negros hace observable la radiación Hawking relativamente débil. Esta forma amplificada de radiación Hawking se ha observado en sistemas gravitatorios analógicos [7], y ahora el equipo de Afshordi informa de la primera detección de la misma en un sistema de agujeros negros real mediante la detección de una señal de eco reveladora en los datos de ondas gravitatorias de LIGO/Virgo, lo que se ha denominado una pistola humeante de la microestructura cuántica de los horizontes de los agujeros negros.
El análisis estadístico de los resultados no puede confirmar sin lugar a dudas que la señal sea verdadera o un artefacto extremadamente improbable, por lo que, aunque el equipo tiene un intervalo de confianza >90% en el resultado del análisis, éste sigue sin ser concluyente. En física, se suele exigir que las pruebas indiscutibles se sitúen en lo que se denomina el nivel de 5 sigmas (≥ 5σ; un 0,00006% de posibilidades de que los datos sean una fluctuación), un nivel que el equipo no observó en sus resultados. Así que, al nivel de relación señal-ruido del estudio, el equipo mantiene que las pruebas de la co-localización de los ecos y el evento principal en el cielo siguen sin ser concluyentes.
Aunque este resultado es muy prometedor, para poder demostrar de forma irrefutable la existencia de radiación Hawking estimulada procedente de agujeros negros cuánticos astronómicos será necesario aumentar la sensibilidad de los detectores de ondas gravitacionales. De hecho, un equipo de investigadores de la Universidad de Tokio y la Universidad de Kioto, Takahiro Tanaka et al., han realizado un análisis de los datos de varios eventos de coalescencia, incluido el evento de fusión GW190521, e informaron de la nula detección de cualquier señal de eco de ondas gravitacionales correspondiente que indicara la desviación de la microestructura del espaciotiempo de un horizonte clásico [8]. El equipo informa de que, aunque no encontraron ninguna señal de eco significativa, el número limitado de eventos analizados sigue dando grandes regiones de error y no descarta tales señales. Así pues, aunque algunos de los resultados iniciales son convincentes, todavía no son concluyentes, y es posible que se necesiten detectores de ondas gravitacionales de alta sensibilidad, como LISA, para verificar de forma concluyente las señales de eco de ondas gravitacionales.
Agujeros Negros Cuánticos
En la década de 1960, el eminente físico John Archibald Wheeler expresó el hecho de que los agujeros negros carecen de cualquier característica observable más allá de su masa total, espín y carga con la frase «los agujeros negros no tienen pelo «. Esto se conoce como el teorema del no pelo (curiosamente, las 3 propiedades que describen una partícula elemental son su masa, espín y carga, casi como si las partículas fueran pequeños microagujeros negros). La detección de una estructura a escala de Planck en el horizonte de sucesos indicaría que a nivel cuántico el campo gravitatorio está codificando información sobre lo que hay dentro del agujero negro, y el entrelazamiento transhorizontal de la radiación de Hawking significaría que la información dentro del volumen del agujero negro es accesible fuera del horizonte. Lo que significaría que, utilizando el lenguaje coloquial de la física, los agujeros negros tienen pelo [9]. Así pues, los ecos de las ondas gravitacionales y los últimos estudios que indican la detección de la radiación Hawking pueden responder de forma potencialmente concluyente a las preguntas sobre la paradoja de la pérdida de información y sobre si los agujeros negros tienen pelo o no. Por cierto, el propio Hawking había llegado a la conclusión de que la información debe transmitirse a través del horizonte de sucesos de los agujeros negros, lo que los hace más parecidos a «agujeros grises» -o el Black Whole famoso descrito por Haramein-, algo que ya comentamos en 2014 en nuestro artículo Stephen Hawking se vuelve gris.
Si la radiación de Hawking está entrelazada a través de la zona transhorizonte, como muchas de las principales teorías y la evidencia empírica de la gravedad analógica sugieren que debería ser, entonces el estado interno de los agujeros negros (interno al horizonte) no son invariablemente inaccesibles, y los agujeros negros tienen «pelo cuántico». De hecho, los estudios han establecido la existencia de pelo cuántico ubicuo debido a los efectos gravitatorios [pelo cuántico de la gravedad].
Más allá de la paradoja de la pérdida de información (de cuyo significado ya hemos hablado en artículos anteriores como Un Horizonte Lleno de Sucesos), la cuestión del pelo del agujero negro y la arquitectura del espaciotiempo cuantizado a escala de Planck en el horizonte de sucesos tiene relación directa con la comprensión del origen de la masa en el universo. En la solución de gravedad cuántica y masa holográfica de Haramein [10], vemos cómo la estructura de la relación entropía-información entre el volumen y la superficie de un agujero negro, alicatada con resonadores armónicos cuánticos a escala de Planck del vacío electromagnético (curvando el espaciotiempo en regiones discretas ligadas gravitatoriamente llamadas Unidades Esféricas de Planck) da como resultado el cribado de la densidad de energía de Planck del vacío cuántico a la masa en reposo observada. Es importante señalar que la solución holográfica se aplica tanto a los agujeros negros astronómicos como a los agujeros negros primordiales microscópicos, a los que convencionalmente nos referimos como partículas. Por tanto, las últimas mediciones de las firmas del eco de las ondas gravitacionales apoyan la postulación de una estructura cuántica a escala de Planck en el horizonte de sucesos, así como la radiación Hawking, que ahora veremos que tiene implicaciones directas a escala de partículas.
La radiación Hawking a escala de partículas
La figura (extraída del artículo Linking Waves to Particles) muestra cómo, utilizando las ondas gravitacionales para investigar la gravedad de campo fuerte -regiones que normalmente quedan ocultas a los procesos EM tras una fotosfera-, podemos obtener información sobre la física de partículas. Esto se formula en el contexto de cómo partículas hipotéticas como los axiones o los bosones escalares (incluso posiblemente los gravitones) pueden interactuar en la ergosfera de los agujeros negros, generando efectos como las resonancias superradiantes (véase nuestro artículo Ionización de los Átomos Agujero Negro para saber más sobre este efecto), que potencialmente pueden detectarse en las firmas de las ondas gravitacionales. Sin embargo, las señales de ondas gravitacionales que revelan la estructura cuántica de los agujeros negros y lo que hasta ahora era sólo un comportamiento hipotético de los campos cuánticos en geometrías espaciotemporales curvas, como el último análisis del equipo de Afshordi que aporta pruebas observacionales iniciales de la radiación Hawking, pueden verificar procesos clave en funcionamiento en la física de partículas, donde el término agujeros negros cuánticos adquiere un significado completo porque las partículas del dominio cuántico son microagujeros negros.
Por lo tanto, al igual que en estudios como The Origin of Mass and the Nature of Gravity, de Haramein et al., donde tras la evaluación de la dinámica de las fluctuaciones del vacío en una geometría del espaciotiempo fuertemente curvada se demuestra analíticamente cómo la masa-energía de la radiación Hawking de un agujero negro a escala del protón genera propiedades fundamentales como la masa en reposo del protón, vemos que los resultados de este cálculo están fuertemente respaldados por pruebas observacionales. De este modo, junto con la asombrosa precisión del cálculo resultante -con una equivalencia casi exacta entre la radiación tipo Hawking procedente de las fluctuaciones cuánticas del vacío cerca del horizonte Compton del protón con la masa en reposo del protón (Figura 4)-, se justifica una gran confianza en que el modelo es correcto. Ciertamente, ya no se puede descartar sobre la base de que la radiación Hawking es un mecanismo hipotético, ya que hay una serie de estudios empíricos con pruebas sólidas, desde los sistemas de gravedad analógica a los electrones aceleradores antes mencionados [3] a la astronomía observacional (a través de las ondas gravitacionales), que dan una fuerte indicación de la realidad del efecto y avanza la predicción de Hawking más allá de la etapa de hipótesis a efecto verificado (nota: aunque el mérito del efecto de termalización del vacío en un campo gravitatorio fuerte se atribuye a Hawking, el físico Yakov Zel’dovich fue el primero en descubrir computacionalmente que los agujeros negros generarán radiación electromagnética debido a la interacción con las fluctuaciones del vacío [11]).
Figura 4. La radiación Hawking de un protón. La ecuación revela cómo la masa-energía (ε) de la temperatura Hawking (Tλ) del agujero negro del núcleo del protón (más allá del radio Compton del protón λp) en la superficie (Ap) del radio de carga del protón (rp) con fluctuaciones cuánticas de vacío a lo largo del tiempo característico τp es equivalente a la energía de la masa en reposo del protón (mp)-siguiendo la conocida equivalencia de E = mc2.
Aplicando la ley de Stefan-Boltzmann para la radiación de cuerpos negros (el lado izquierdo de la ecuación de la figura 4 que relaciona la emisión total de energía ε con la temperatura T y la superficie A) se obtiene la temperatura Hawking en el horizonte de Compton (λp). Si se considera que el espacio entre el horizonte de Compton y la superficie del radio de carga (Ap en la figura 4) está lleno de fluctuaciones del vacío que actúan como un superfluido, se produce un proceso isotérmico (en el que la temperatura permanece constante) entre las dos superficies y la energía de la radiación de Hawking se transfiere -mediante un mecanismo de radiación de cuerpo negro- desde el horizonte de Compton del agujero negro central hasta el radio de carga del protón, donde la temperatura cuántica de radiación del vacío es la masa-energía en reposo del protón.
Aunque puede resultar chocante para muchos que están acostumbrados a considerar la física de partículas y los agujeros negros como dos dominios dispares del universo (un obstáculo conceptual importante para llevar a la comunidad científica a un modelo de física unificada) y pueden haberse acostumbrado a considerar la posibilidad de efectos de campo cuántico a escalas relativistas generales como la termalización del vacío en los horizontes de sucesos (más generalmente horizontes de Killing, incluyendo el horizonte de Rindler), la reciente observación de la radiación Unruh-Hawking por electrones requiere ahora la consideración de influencias de fuerte gravedad en los campos cuánticos a escala de partículas, que vemos en estudios como el de Haramein et al. no sólo se limitan a aceleraciones extremas, sino a la curvatura espaciotemporal de gravedad fuerte relativísticamente equivalente de la densidad de energía del vacío cuántico. Una física unificada requiere comprender los efectos del campo cuántico en el espaciotiempo curvado, desde la escala cuántica hasta la cosmológica, y el comportamiento resultante del campo unificado, como la radiación Unruh-Hawking, son de importancia crítica para comprender propiedades fundamentales del universo como el origen de la masa y la naturaleza de la gravedad.
Referencias
[1] Hawking SW. 1974. Black hole explosions? Nature 248, 30 ( 10.1038/248030a0)
[2] N. Haramein, C. Guermonprez, and O. Alirol, “The Origin of Mass and the Nature of Gravity,” Sep. 2023, doi: 10.5281/zenodo.8381114.
[3] W. Brown. “Unruh-Hawking Radiation Observed in Accelerating Electrons.” The International Space Federation. 2024. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: https://www.spacefed.com/blog/unruh-hawking-radiation-observed-in-accelerating-electrons
[4] G. Gregori, G. Marocco, S. Sarkar, R. Bingham, and C. Wang, “Measuring Unruh radiation from accelerated electrons.” arXiv, Apr. 26, 2023. Accessed: Feb. 09, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2301.06772
[5] V. Cardoso, E. Franzin, and P. Pani, Is the gravitational wave ringdown a probe of the event horizon?, Phys. Rev. Lett. 116, 171101 (2016). Preprint available on arXiv at: https://arxiv.org/pdf/1602.07309.pdf
[6] A. A. Kirillov, E. P. Savelova, and O. M. Lecian, “Scattering of GWs on wormholes: foreshadow and afterglow/echoes from binary merges.” arXiv, Sep. 27, 2020. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2003.13127
[7] J. Abedi, L. F. L. Micchi, and N. Afshordi, “GW190521: Search for Echoes due to Stimulated Hawking Radiation from Black Holes,” Phys. Rev. D, vol. 108, no. 4, p. 044047, Aug. 2023, doi: 10.1103/PhysRevD.108.044047.
[8] J. Steinhauer, “Confirmation of stimulated Hawking radiation, but not of black hole lasing,” Phys. Rev. D, vol. 106, no. 10, p. 102007, Nov. 2022, doi: 10.1103/PhysRevD.106.102007.
[9] N. Uchikata, T. Narikawa, H. Nakano, N. Sago, H. Tagoshi, and T. Tanaka, “Searching for gravitational wave echoes from black hole binary events in the third observing run of LIGO, Virgo, and KAGRA collaborations.” arXiv, Sep. 04, 2023. Accessed: Feb. 14, 2024. [Online]. Available: http://arxiv.org/abs/2309.01894
[10] X. Calmet, R. Casadio, S. D. H. Hsu, and F. Kuipers, “Quantum Hair from Gravity,” Phys. Rev. Lett., vol. 128, no. 11, p. 111301, Mar. 2022, doi: 10.1103/PhysRevLett.128.111301.
[11] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292
[12] Zel’Dovich, Y.B.: Generation of Waves by a Rotating Body. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 14, 180 (1971)