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CIENCIA. Confirmada teoría de Stephen Hawking sobre los agujeros negros

 

Las ondas gravitacionales emitidas por dos agujeros negros en espiral entre sí, mostradas en una simulación. (Imagen: C. Henze / Centro de Investigación Ames de la NASA)

Se ha demostrado que uno de los teoremas más famosos de Stephen Hawking es correcto, utilizando ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusión de dos agujeros negros distantes .

El teorema del área del agujero negro, que Hawking derivó en 1971 de la teoría de la relatividad general de Einstein, establece que es imposible que el área de la superficie de un agujero negro disminuya con el tiempoEsta regla interesa a los físicos porque está estrechamente relacionada con otra regla que parece establecer que el tiempo transcurra en una dirección particular: la segunda ley de la termodinámica , que establece que la entropía o el desorden de un sistema cerrado siempre debe aumentar. Debido a que la entropía de un agujero negro es proporcional a su área de superficie, ambos siempre deben aumentar.

Según el nuevo estudio, la confirmación de los investigadores de la ley del área parece implicar que las propiedades de los agujeros negros son pistas importantes sobre las leyes ocultas que gobiernan el universo. Curiosamente, la ley del área parece contradecir otro de los teoremas probados del famoso físico: que los agujeros negros deben evaporarse en una escala de tiempo extremadamente larga, por lo que descubrir la fuente de la contradicción entre las dos teorías podría revelar una nueva física.

El área de la superficie de un agujero negro está delimitada por un límite esférico conocido como horizonte de eventos; más allá de este punto, nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su poderosa atracción gravitacional. Según la interpretación de Hawking de la relatividad general, a medida que el área de superficie de un agujero negro aumenta con su masa, y debido a que ningún objeto arrojado al interior puede salir, su área de superficie no puede disminuir. Pero el área de la superficie de un agujero negro también se encoge cuanto más gira, por lo que los investigadores se preguntaron si sería posible lanzar un objeto adentro con la fuerza suficiente para hacer que el agujero negro gire lo suficiente como para disminuir su área.

Para probar esta idea, los investigadores analizaron ondas gravitacionales, u ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo, creadas hace 1.300 millones de años por dos gigantescos agujeros negros mientras giraban en espiral uno hacia el otro a alta velocidad. Estas fueron las primeras ondas detectadas en 2015 por el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser Avanzado (LIGO), un rayo láser de 1.864 millas de largo (3.000 kilómetros) capaz de detectar las más leves distorsiones en el espacio-tiempo por la forma en que alteran su trayectoria.

Al dividir la señal en dos mitades, antes y después de la fusión de los agujeros negros, los investigadores calcularon la masa y el giro de los dos agujeros negros originales y el nuevo combinado. Estos números, a su vez, les permitieron calcular el área de superficie de cada agujero negro antes y después de la colisión. 

El área de superficie del agujero negro recién creado era mayor que la de los dos iniciales combinados, lo que confirma la ley del área de Hawking con un nivel de confianza de más del 95%. Según los investigadores, sus resultados están bastante en línea con lo que esperaban encontrar. La teoría de la relatividad general, de donde proviene la ley del área, hace un trabajo muy efectivo al describir los agujeros negros y otros objetos a gran escala.

Sin embargo, el verdadero misterio comienza cuando intentamos integrar la relatividad general, las reglas de los objetos grandes, con la mecánica cuántica, las de los muy pequeños. Empiezan a ocurrir eventos extraños que causan estragos en todas nuestras reglas estrictas y rápidas, y rompen la ley del área por completo. 

Esto se debe a que los agujeros negros no pueden encogerse según la relatividad general, pero pueden hacerlo según la mecánica cuántica. El icónico físico británico detrás de la ley del área de superficie también desarrolló un concepto conocido como radiación de Hawking, donde se emite una niebla de partículas en los bordes de los agujeros negros a través de extraños efectos cuánticos. Este fenómeno hace que los agujeros negros se encojan y, finalmente, durante un período de tiempo varias veces mayor que la edad del universo, se evaporen. Esta evaporación puede ocurrir en escalas de tiempo lo suficientemente largas como para no violar la ley del área a corto plazo, pero esto solo es un pequeño consuelo para los físicos. 

Con la ley del área establecida para períodos de tiempo cortos a medianos, los próximos pasos de los investigadores serán analizar los datos obtenidos de más ondas gravitacionales para obtener información más profunda que pueda obtenerse de los agujeros negros.

Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Journal Physical Review Letters .



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