Observada por primera vez la radiación de Hawking en un análogo óptico de un agujero negro

Sin lugar a dudas, la noticia científica de esta semana. Ha sido aceptado para publicación en Physical Review Letters el artículo de F. Belgiorno, S.L. Cacciatori, M. Clerici, V. Gorini, G. Ortenzi, L. Rizzi, E. Rubino, V.G. Sala, D. Faccio, “Hawking radiation from ultrashort laser pulse filaments,” ArXiv, 23 Sep 2010. Un análogo óptico del horizonte de sucesos de un agujero negro que utiliza púlsos láser ultracortos ha permitido observar la emisión espontánea de fotones con un espectro de cuerpo negro, que coincide con las predicciones cuánticas de Stephen Hawking en 1974 para la radiación emitida por un agujero negro que se evapora. Si este resultado experimental se confirma en otros laboratorios en los próximos meses, Hawking será firme candidato a ganar el Premio Nobel de Física del año 2011. Quizás por ello todos los medios se han hecho eco de esta importante noticia que nos ha contado KentuckyFC, “First Observation of Hawking Radiation,” September 27, 2010 [portada en Menéame]. La analogía óptica para un agujero ya fue comentada en este blog hace un tiempo en “Láseres de agujeros negros, radiación de Hawking del universo y energía oscura (o a ver cómo le damos un Premio Nobel a Stephen Hawking),” 24 Marzo 2008; recomiendo el artículo de Adrian Cho, “Physics: Test of Hawking’s Prediction on the Horizon With Mock ‘White Hole’,” Science 319: 1321, 7 March 2008; ya predijimos entonces que el siguiente paso era observar la radiación de Hawking. Sin embargo, la tecnología óptica no lineal tenía una fuerte competencia en los estados condensados de Bose-Einstein (BEC), como ya contamos en “Fabricado el primer agujero negro acústico en un condensado de Bose-Einstein,” 11 Junio 2009. Si se confirma el resultado de Franco Belgiorno (Universidad de Milán, Italia) y sus colegas, será la primera observación de la radiación de Hawking, pero no será la única, otros grupos pronto los emularán. Los físicos especialistas en BEC pronto lograrán repetir la hazaña y su repetición confirmará definitivamente las teorías de Hawking, una confirmación que apunta a Premio Nobel teórico en Física.

Belgiorno y sus colegas han creados perturbaciones en el índice de refracción de un medio dieléctrico no lineal gracias al uso de pulsos láser ultracortos (de 1 picosegundo y una energía máxima de 6 mJ, milijulios) y un proceso no lineal llamado filamentación de Bessel en el que el espectro óptico de los pulsos se ensancha conforme se propagan. Estos pulsos permiten simular un horizonte de sucesos gravitatorio en una dimensión. La perturbación del índice de refracción es un salto, una función escalón de Heaviside, que se mueve a una velocidad constante dada por c/v=n. A ambos lados de este frente no lineal el índice de refracción presenta un valor constante diferente, sean n0(ω)+δn y 1/n0(ω), con lo que el frente actúa como un horizonte de sucesos. Si se aplica la teoría cuántica de la radiación Hawking a este horizonte de sucesos (frente de onda) se predice la emisión de fotones con un espectro similar al de un cuerpo negro. La figura que abre esta entrada muestra el dispositivo experimental y el espectro de la radiación Hawking observada. Los autores del artículo afirman que el origen de esta radiación no es el efecto Cherenkov ni la dispersión de Rayleigh ni otros efectos no lineales (mezcla de cuatro ondas (four wave mixing o FWM), automodulación de la fase (self phase modulationo SPM), etc.).

Esta figura ilustra la analogía óptica a un horizonte de sucesos utilizando una analogía hidrodinámica, peces que tratan de ascender por una cascada (la figura es del artículo de Adrian Cho en Science). Por cierto, la analogía para un agujero blanco sería la caída de los peces por una cascada hacia abajo. Sobre este tipo de analogías os recomiendo la lectura de los artículos de W.G Unruh, “Dumb holes: analogues for black holes,” Phil. Trans. R. Soc. A 366: 2905-2913, 28 August 2008, y Ulf Leonhardt, Thomas G Philbin, “The case for artificial black holes,” Phil. Trans. R. Soc. A 366: 2851-2857, 28 August 2008.

PS (13 nov. 2010): El artículo técnico ha aparecido esta semana en PRL: F. Belgiorno et al., “Hawking Radiation from Ultrashort Laser Pulse Filaments,” Phys. Rev. Lett. 105, 203901 (2010). Recomiendo el interesante resumen de John M. Dudley, Dmitry Skryabin, “New horizons for Hawking radiation,” Viewpoint, Physics 3: 95 (2010).

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