¿Puede crear agujeros negros el LHC?

Dibujo20130326 Snapshots rest mass density logarithmic scale for simulations appearance two separate apparent horizons

José Manuel Nieves afirma que “El LHC sí puede crear agujeros negros,” ABC Ciencia, 11 Mar 2013, porque “dos investigadores de la Universidad de Princeton han calculado que la cantidad de energía necesaria es 2,4 veces menor de lo que se creía hasta ahora.” Obviamente, este resultado significa todo lo contrario. Si la energía necesaria es 2,4 veces menor de lo que se creía y no se ha observado ninguno con una masa menor de 4,2 TeV (dato más reciente de CMS para colisiones protón-protón a 8 TeV c.m.), el nuevo resultado significa que no se pueden producir agujeros negros en el LHC con energía menor de 10 TeV. Bajar la energía para la producción de agujeros negros, como no han sido observados, incrementa el límite de exclusión, lo que no significa que sea más fácil producirlos en el LHC, más bien todo lo contrario. Si te has hecho un lío con mi argumento, relee lo anterior y luego sigue. Por supuesto, si no hay dimensiones extra en el espaciotiempo, para producir agujeros negros en el LHC se necesitan energías del orden de la escala de Planck, así que un factor de 2,4, o incluso un factor de 2400, o uno de 2 400 000 000, no ayudan en nada a facilitar que el LHC produzca agujeros negros. La escala de Planck está demasiado lejos de la escala de energía alcanzable por el LHC (hay que comparar 14000 GeV con unos 12000 000 000 000 000 000 GeV). Recomiendo leer “Synopsis: Black Holes Emerge from Collisions,” Physics, March 7, 2013, y para los más osados, el artículo técnico de William E. East, Frans Pretorius, “Ultrarelativistic Black Hole Formation,” Phys. Rev. Lett. 110: 101101 (2013) [arXiv:1210.0443]. El artículo citado de la Colaboración CMS es “Search for microscopic black holes in pp collisions at sqrt(s) = 8 TeV,” arXiv:1303.5338, 21 Mar 2013. También recomiendo leer a “No hay agujeros negros en el LHC, por ahora…,” Cuentos Cuánticos, 25 marzo, 2013.

Turbulencia gravitacional en el espaciotiempo Anti-de Sitter

Dibujo20130316 Horizon radius vs amplitude for initial data - number reflections off the AdS boundary before collapse

Me ha llamado la atención el concepto de turbulencia gravitacional, el estado turbulento en un espaciotiempo AdS (Anti-de Sitter). Los espaciotiempos de Minkowski (M), de Sitter (dS) y Anti-de Sitter (AdS) son estables ante perturbaciones infinitesimales (lineales); sin embargo,sólo son estables a perturbaciones finitas (no lineales) los espaciotiempos de M y dS, siendo AdS inestables no linealmente, es decir, una perturbación finita en un AdS crece hasta formar agujeros negros vía una cascada energética similar a la que produce la turbulencia en un fluido (los modos de baja frecuencia evolucionan a modos de alta frecuencia como vórtices en un fluido se descomponen en vórtices más pequeños a todas las escalas). La turbulencia gravitacional en un espacio AdS es un concepto muy sugerente, pues implica una turbulencia cuántica del espaciotiempo. La correspondencia AdS/CFT relaciona una teoría cuántica de campos conforme (CFT) en (d-1) dimensiones con una teoría gravitacional (cuántica) en un espacio AdS en d dimensiones. Nació en el contexto de la teoría de cuerdas (una teoría CFT de acoplamiento débil aparece en el régimen no perturbativo de toda teoría de cuerdas), pero hoy en día tiene vida propia, junto a las ideas holográficas, prometiendo aplicaciones en física de la materia condensada, teorías de campos con acoplamiento fuerte, plasmas de quarks y gluones, turbulencia cuántica, etc. Recomiendo a los físicos la consulta de las transparencias de la charla de Óscar Dias (with Gary Horowitz, Don Marolf, and Jorge Santos), “Gravitational turbulent instability of AdS,” XVIII IFT UAM/CSIC-Madrid Xmas Workshop Dec. 2012 [slides], así como Oscar J. C. Dias, Gary T. Horowitz, Don Marolf, Jorge E. Santos, “On the Nonlinear Stability of Asymptotically Anti-de Sitter Solutions,” arXiv:1208.5772, 28 Aug 2012, y Oscar J.C. Dias, Gary T. Horowitz, Jorge E. Santos, “Gravitational Turbulent Instability of Anti-de Sitter Space,” arXiv:1109.1825, 8 Sep 2011. También es interesante la consulta de Tadashi Takayanagi, “Holographic Entanglement Entropy and Emergent Spacetime,” Entangle This: Strings, Fields and Atoms @ IFT UAM-CSIC Madrid Nov. 19-21, 2012 [slides]; y Masahiro Nozaki, Shinsei Ryu, Tadashi Takayanagi, “Holographic Geometry of Entanglement Renormalization in Quantum Field Theories,” JHEP 10 (2012) 193, arXiv:1208.3469.

Hace 50 años se descubrió el primer cuásar y aún ignoramos las leyes físicas que los explican

Dibujo20130314 quasar engines - accretion matter onto giant black holes in centres galaxies

El primer cuásar (3C273) se publicó en Nature en marzo de 1963.  En el centro de una galaxia, una región tan pequeña como el sistema solar emite tanta energía en todo el espectro electromagnético como miles de galaxias. Los astrofísicos creen que los cuásares y otros núcleos galácticos activos (AGN) están alimentados por la acreción de gas y estrellas en los gigantescos agujeros negros centrales de las galaxias, pero los detalles aún siguen siendo un misterio. El poder predictivo de los modelos teóricos no ha mejorado mucho en los últimos 30 años. Las preguntas básicas siguen siendo las mismas: ¿Los chorros y los lóbulos se componen de electrones y protones o de pares electrón-positrón? ¿Los protones adquieren una gran energía, como en los rayos cósmicos? ¿Está la energía distribuida a partes iguales entre los campos eléctricos y magnéticos? Según nos cuenta Robert Antonucci, a propósito del 50 aniversario del primer cuásar, falta pensamiento crítico entre los investigadores. Se siguen publicando artículos sobre teorías ya descartadas por las observaciones y los investigadores teóricos realizan una gran cantidad de trabajo en vano, aferrándose a modelos con un poder predictivo nulo. Seguir mejorando los modelos de disco de acreción en los que la materia cae en espiral hacia el agujero negro no tiene ningún sentido. Los datos experimentales no cumplen con muchas leyes básicas, como ley de Stefan-Boltzmann (la energía radiada es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura), que se siguen utilizando en estos modelos. Muchos astrofísicos teóricos, en opinión de Antonucci, están esperando que los datos experimentales les den la razón, cuando ya se sabe que sus teorías han sido falsificadas con los datos de hace décadas. El campo de la astrofísica teórica de los cuásar requiere una revolución urgente. No hay artículos que ofrezcan nuevas ideas, prometedoras y revolucionarias. Parece que los esfuerzos se están centrando en encontrar cuásar compatibles con las teorías existentes en lugar de encontrar nuevas teorías que expliquen los datos ya disponibles. Se han encontrado miles de cuásar en los últimos 50 años, pero aún no tenemos un modelo físico que explique cómo irradian energía. Según Antonucci, los jóvenes deben saber que la oportunidad está ahí afuera. Tienen que ponerse a pensar nuevas ideas, en lugar de seguir dándole vueltas a las ideas que ya sabemos que no funcionan. “Don’t just do something, sit there.” La verdad, me han sorprendido las palabras de Antonucci, pero pensándolo bien, tiene toda la razón del mundo. Si eres físico o astrofísico joven, tienes que leer el artículo de Robert Antonucci, “Astrophysics: Quasars still defy explanation,” Nature 495: 165-167, 14 Mar 2013: “Fifty years after finding that these cosmic beacons lie far away, astronomers need to think harder about how they radiate so much energy.”

Dibujo20130314 X-ray observations show that quasar 3C273 shoots out a jet of plasma blobs that seem to move faster than light

El prototipo de los agujeros negros en sistemas binarios con disco de acreción de alta inclinación

Todos los agujeros negros de masa estelar detectados hasta el momento forman parte de sistemas binarios (se han confirmado 18 en la Vía Láctea y hay otros 32 que aún son candidatos), pero ninguno muestra eclipses, aunque una distribución aleatoria para la inclinación del plano de su órbita predice que al menos 10 (el 20%) deberían mostrarlos. La razón puede ser que el disco de acreción formado por la materia que el agujero negro le roba a su compañera adquiere la forma de un toroide con cierto grosor que impide que se observen los eclipses. Así parece indicarlo la observación de Swift J1357.2−093313, una fuente muy débil de rayos X descubierta en 2011 que se cree que es un sistema binario con un periodo orbital de 2,8 horas formado por un agujero negro con una masa mayor de 3,0 M⊙ (masas solares) acompañado de una estrella con una masa de 0,24 M☉ (masas solares) y un radio de 0,29 R☉ (radios solares). La inclinación del disco de acreción toroidal es superior a unos ∼70º (en el vídeo de youtube se ha tomado 85º). Según los autores del estudio, Swift J1357.2−093313 podría ser prototipo de la población de fuentes de rayos X binarias de alta inclinación (el 20% de las fuentes que deberían mostrar eclipses). El investigador principal del estudio es Jorge Casares, Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). El artículo técnico es J. M. Corral-Santana, J. Casares, T. Muñoz-Darias, P. Rodríguez-Gil, T. Shahbaz, M. A. P. Torres, C. Zurita, A. A. Tyndall, “A Black Hole Nova Obscured by an Inner Disk Torus,” Science 339: 1048-1051, 1 Mar 2013 [arXiv:1303.0034].

La galaxia NGC 1365 aloja un agujero negro supermasivo que rota al 84% de la velocidad máxima posible

Dibujo20130227 NGC 1365 - NuSTAR space X-ray telescope NASA

Hoy en día se cree que todas las galaxias tienen una agujero negro supermasivo en su centro (su masa está entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol). El nuevo telescopio espacial de rayos X de la NASA llamado NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), lanzado el 13 de junio de 2012, ha determinado la velocidad de rotación del agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la galaxia NGC 1365 (una galaxia cercana cuyo núcleo es activo) y resulta que es un 84% de la velocidad máxima permitida por los modelos teóricos. NuSTAR ha logrado obtener un espectro con una calidad sin precedentes de los fotones emitidos con energías entre 10 y 80 keV a partir del cual se ha podido estimar (utilizando modelos teóricos) la velocidad de rotación (hay que recordar que observaciones anteriores de los fotones con energías menores de 10 keV habían hecho sospechar que la velocidad del agujero negro era próxima a la máxima). Futuras observaciones deberán confirmar  si estas velocidades tan grandes son las habituales o solamente una excepción. Nos lo cuenta Christopher S. Reynolds, “Astrophysics: Black holes in a spin,” Nature 494: 432-433, 28 Feb 2013, que se hace eco del artículo técnico de G. Risaliti et al., “A rapidly spinning supermassive black hole at the centre of NGC 1365,” Nature 494: 449-451, 28 Feb 2013 [arXiv:1302.7002].

Las partículas que emiten los agujeros negros por radiación de Hawking

Dibujo20130204 hawking radiation - usual particle-antiparticle image

Un agujero negro emite radiación como un cuerpo caliente a la temperatura de Hawking. Si su valor es muy alto, la radiación de Hawking consiste en partículas de todo tipo (fotones, gravitones, bosones vectoriales, bosones de Higgs, leptones y hadrones), pero si su valor es “bajo” solo emite fotones y gravitones. El vacío cerca del horizonte de sucesos produce pares de partícula-antipartícula virtuales en los que una de las partículas penetra en el agujero negro y la otra escapa, produciendo la radiación. Esta imagen es falsa. Hay varias razones pero la más importante es que la longitud de onda de las partículas absorbidas y emitidas es comparable al tamaño del agujero negro (λ ≈ 2 G M/c²); por tanto, imaginar que estas partículas están localizadas en el entorno del horizonte de sucesos no tiene ningún sentido físico. Estas partículas son tan grandes como el propio agujero negro y no tiene ningún sentido preguntarse dónde están, igual que un electrón en un átomo tiene una longitud de onda comparable al propio átomo y no podemos saber dónde está el electrón dentro del átomo. Nos lo cuentan en detalle N. D. Birrell, P. C. W. Davies, “Quantum Fields in Curved Space,” Cambridge University Press, 1982 (en la sección 8.2). Agradezco a Mario Herrero (@Fooly_Cooly) que me haya recomendado la lectura de este libro y recomiendo su entrada “6 cosas que quizás nunca se atrevieron a contarte sobre agujeros negros,” Naukas, 1 may 2012.

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EHT, el radiotelescopio que nos permitirá ver Sgr A*, el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea

Dibujo20130127 sgrAstar - supermassive black hole - milky way

EHT (Event Horizon Telescope) es un radiotelescopio “virtual” del tamaño de la Tierra gracias a la interferometría de muy larga base (VLBI). Se observa un objeto celeste de forma simultánea con un conjunto de radiotelescopios situados en lugares muy distantes entre sí. La radiación de ese objeto es recibida en instantes diferentes en cada radiotelescopio, según su posición sobre la Tierra, formándose un patrón de franjas de interferencia que permite reconstruir la imagen como si se tratase de un único radiotelescopio. Se espera que EHT “fotografíe” el agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea, llamado SgrA*, dentro de unos cinco años. SgrA* fue postulado en 1971 y la primera prueba astrofísica de su existencia se obtuvo en 1974; gracias al movimiento de las estrellas que se encuentran cerca de SgrA* se ha podido determinar su masa, unos cuatro millones de masas solares, que está concentrada en una región con una radio menor de 45 UA (la unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol); por comparar, el afelio de Plutón está a 49 UA (el punto más alejado del Sol). Esta semana se ha celebrado en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona una conferencia sobre EHT (18-20 de enero). Las transparencias de las charlas están disponibles en la web. Más información en Evan Ackerman, “Earth-sized radio telescope to take first pic of black hole,” DVice, Jan 24, 2013 (visto gracias a Iván García Cubero @Wis_Alien).

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Las branas negras cargadas se comportan como sólidos piezoeléctricos

Dibujo20121229 ceramics - black brane

En la teoría general de la relatividad de Einstein un agujero negro es espacio, solo espaciotiempo. Un agujero negro en 4 dimensiones se comporta como un objeto puntual situando en el espaciotiempo (el lugar donde está la singularidad central) rodeado de una región de espaciotiempo vacío dentro del horizonte de sucesos; el agujero negro tiene masa, puede rotar (tener momento angular) y tener carga eléctrica, nada más. Sin embargo, en más de cuatro dimensiones los agujeros negros no son puntuales; en cinco dimensiones un agujero negro se comporta como una “cuerda negra” (un objeto unidimensional) y en seis dimensiones como un “brana negra” (un objeto bidimensional). ¿Se comportan estos agujeros negros multidimensionales como objetos materiales? Describir las propiedades de una “brana negra” no es fácil, pero los físicos teóricos creen que muestra propiedades de líquido, si es neutra para la carga eléctrica, y de sólido, si tiene carga eléctrica; en este último caso se comporta como un material piezoeléctrico, que convierte esfuerzos mecánicos en campos eléctricos. Jay Armas, Jakob Gath, Niels A. Obers, “Black Branes as Piezoelectrics,” Phys. Rev. Lett. 109: 241101, 10 Dec 2012 [arXiv:1209.2127].

El estudio de las propiedades de los agujeros negros y de las branas negras requiere el uso de una teoría cuántica de la gravedad, salvo en el régimen de campo débil y perturbaciones de longitud de onda grande. En este contexto se puede utilizar la correspondencia AdS/CFT y técnicas holográficas para demostrar que las branas negras neutras se comportan como un fluido (arXiv:0712.2456arXiv:0902.0427; y otros); este fluido se caracteriza por su viscosidad. El nuevo artículo técnico estudia con las mismas técnicas lo que pasa con branas negras cargadas eléctricamente. Cuando una cuerda negra cargada dentro de la brana negra cargada se deforma induce un momento dipolar eléctrico que provoca esfuerzos mecánicos sobre la brana, como si se tratara de un material piezoeléctrico. Un resultado realmente sorprendente.

 

Simulan la nube de gas G2 que el verano próximo se acercará a Sgr A*

Dibujo20121207 evolution of the structure of G2 near Sgr Astar in the 3D simulation

“Una gran nube de gas cae en espiral hacia Sgr A* (el agujero negro central de la Vía Láctea) y lo alcanzará en 2013” [imágenes reales]. Para predecir qué pasará y qué podremos ver desde la Tierra, Takayuki R. Saitoh (Instituto Técnico de Tokio, Japón) y sus colegas han realizado una simulación tridimensional por ordenador (abajo tienes el vídeo de youtube). La nube compacta de gas llamada G2 (Gillessen+2012) tiene una órbita elíptica alrededor de Sgr A*, el agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea, alcanzando su pericentro durante el verano de 2013. Este suceso tan excepcional permitirá estudiar en detalle la interacción de un nube de gas con un agujero negro supermasivo. Según las simulaciones numéricas la nube de gas se calentará y se alargará al aproximarse al agujero negro, alcanzando su pico de luminosidad, unas 100 veces la luminosidad del Sol, en el infrarrojo cercano en julio de 2013. Conocer estos datos es muy importante para planificar de manera adecuada las múltiples observaciones de este fenómeno realmente único. El artículo técnico es Takayuki R. Saitoh et al., “Flaring up of the Compact Cloud G2 during the Close Encounter with Sgr A* in Summer 2013,” arXiv:1212.0349, 3 Dec 2012.

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El láser de agujeros negros ópticos

Dibujo20121203 Evolution of a laser pulse during the first few bounces from a white-black hole cavity

Quizás te has preguntado alguna vez si la radiación de Hawking de un agujero negro puede ser utilizada para fabricar un láser óptico. Para ello se requiere una cavidad óptica resonante que actúe como amplificador (recuerda que LASER significa amplificación de luz por emisión estimulada de radiación). El análogo gravitatorio a esta cavidad podría ser el espaciotiempo entre los horizontes de sucesos de un agujero negro y un agujero blanco. Los agujeros blancos no existen en la Naturaleza. Sin embargo, en lugar de agujeros blancos se podrían utilizar sus análogos físicos. Usando fibra óptica se pueden fabricar tanto agujeros negros ópticos como agujeros blancos ópticos, aunque la radiación de Hawking aún no ha sido observada en ellos (el artículo en PRL y la noticia del año pasado aún generan muchas dudas). Usando simulaciones numéricas por ordenador se puede comprobar si el concepto funciona. En el caso unidimensional, la idea funciona, como han demostrado Daniele Faccio, Tal Arane, Marco Lamperti, Ulf Leonhardt, “Optical black hole lasers,” Classical and Quantum Gravity 29: 224009, 18 Oct. 2012 [arXiv:1209.4993].

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