¿Es posible que aquello que ya está muerto, pueda morir nuevamente?, no pretendo con este interrogante hacer un planteamiento biológico, ni mucho menos teológico; en el cosmos, nada está realmente muerto, aun las estrellas que mueren, dejan tras ellas un remanente, que en muchos casos es más activo e incluso, desde ciertos puntos de vista, más interesante que la misma estrella.
Sin embargo, al final del tiempo, literalmente hablando, si consideramos como válida la hipótesis del Big-Freeze, las únicas fuentes generadoras de radiación que existirán en todo el universo, serán los agujeros negros, como resultado de sus últimos estertores mortales. La Radiación Hawking, será el último atisbo de calor que presenciará nuestro universo, antes del inicio de su definitiva muerte térmica.
¿Qué es la radiación Hawking y como se genera?
La radiación de Hawking es un descubrimiento del físico teórico ingles Stephen Hawking, según el cual, los agujeros negros, no serían tan negros como aparentan serlo, pues irradiarían energía en forma de radiación térmica.
Como tal vez puedan recordar de una de mis publicaciones previas, los agujeros negros son regiones del espacio en las cuales, la materia es atrapada en una singularidad, a causa de un intenso campo gravitacional, el cual lo es en tal medida, que incluso la luz no puede evitar ser atrapada en él, dándole la propiedad de tener una nula reflexión o emisión de luz, por lo que su apariencia sería completamente negra.
En la estructura teórica de los agujeros negros es posible diferenciar dos regiones que son de particular interés para poder entender el mecanismo que hace posible la Radiación Hawking, la primera es la singularidad, que es la fuente en si misma del intenso campo gravitatorio del agujero negro. La singularidad es un punto matemático, pues carece de volumen, que está situado en medio del agujero negro en el que se concentraría toda la masa del agujero negro y de la materia atrapada por él, en consecuencia, su densidad sería infinita.
La segunda región es el horizonte de sucesos, que es una superficie esférica, o ligeramente achatada, si el agujero negro está en rotación, la cual envuelve a la singularidad y se encuentra separada de ella por una distancia equivalente al radio de Schwarzschild1, el horizonte de sucesos, representa para el agujero negro, lo que se podría definir como el punto de no retorno, todo aquello que cruza el horizonte de sucesos es irremediablemente atrapado por la singularidad. Es el horizonte de sucesos el que le concedería su cualidad de negros a los agujeros negros, pues es esta región en la cual la luz es atrapada y conducida a la singularidad por lo que tendría el aspecto de una burbuja o región de espacio completamente negra.
La región del espacio entre el horizonte de sucesos y la singularidad estaría formada por espacio vació, pues todo lo que en ella caiga de inmediato sería conducido a la singularidad. Sin embargo, desde el punto de vista de la mecánica cuántica, no existe algo como un vacío absoluto, pues todo lo que existe, estaría lleno de campos cuánticos en los cuales, como consecuencia de las fluctuaciones cuantías del vacío, predichas por el principio de incertidumbre, están permanentemente creándose pares de partículas y anti partículas virtuales, cuya vida es muy breve, pues se aniquilan mutuamente.
En este proceso, las partículas toman energía del espacio circundante, durante su creación y la retornan cuando se aniquilan.
Hawking predijo que este proceso continua ocurriendo en el vacío del interior del horizonte de sucesos de un agujero negro, sin embargo cuando estos pares de partícula y antipartícula aparecen en el límite del horizonte de sucesos, existe la probabilidad de que una de ellas se cree en el interior y la otra en el exterior del horizonte de sucesos, en consecuencia, por efecto de la gravedad las partículas virtuales pasaría a ser reales, por lo que la que quede en su exterior, tendría la posibilidad de escapar de él, mientas que la otra sería atraída a la singularidad.
Para que este proceso se pueda dar y se mantenga constante la cantidad de energía en el proceso, la energía que fue tomada del espacio circundante del horizonte de sucesos para crear uno de los integrantes del par, debe ser equilibrada por la emisión de energía en forma de radiación térmica por el agujero negro a costa de una disminución en su masa. Es esta radiación emitida por un fenómeno de naturaleza cuántica y relativista, la que es denominado Radiación Hawking.
¿Qué efecto tiene la Radiación Hawking sobre los agujeros negros?
La continua emisión de radiación y la consecuente pérdida de masa del agujero negro a causa de ello, conllevaría a la disminución de la masa total y del tamaño de la superficie de su horizonte de sucesos. Esta emisión de energía y pérdida de masa sería inversamente proporcional a la masa total del agujero negro.
Como consecuencia de esta constante pérdida de masa, el agujero negro terminaría evaporándose en un estallido, sin embargo, este proceso ocurrirían en periodos de tiempo sumamente grandes, se piensa que en agujeros negros microscópicos remanentes de los cambios de fase del universo primitivo, en sus orígenes, podrían estarce evaporando en la actualidad y sus emisiones de ondas gravitacionales podrían ser detectadas, sin embargo no se han hecho detecciones que puedan asociarse con este fenómeno.
Dado que mientras menor es la masa del agujero negro mayor es tu emisión de radiación Hawking y pérdida de masa, agujeros negros de naturaleza cuántica se evaporarían en fracciones de segundo, la evaporación de este tipo de agujero negros, cuya posible aparición se predijo, podía ocurrir, con la operación del Gran Colisionador de Hadrones, no ha podido ser detectada, así como tampoco la aparición de este tipo de objetos.
¿Qué importancia tiene para la física la radiación Hawking?
Aparte del hecho obvio de explicar un fenómeno que ocurre en los agujeros negros, la Radiación de Hawking, es una de las pocas teorías que compagina la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, implicando los efectos de la Gravedad Cuántica2, sobre las partículas en el margen del horizonte de sucesos de los agujeros negros.
¿Cómo se puede confirmar la existencia de la radiación Hawking?
Si bien, la comunidad científica, considera en su mayoría como válida la existencia de la Radiación Hawking y sus implicaciones, no deja de ser un constructo teórico matemático que no ha sido comprobado, a causa de lo cual, no condujo a la concesión del Premio Novel a su creador, Stephen Hawking. Se han propuesto varias formas directas de detectar la Radiación Hawking, tanto a escala macroscópica como microscópica, así como medios indirectos de probarla, en experimentos de laboratorio.
Obviamente la radiación Hawking se vería como la emisión de radiación térmica, alrededor del horizonte de sucesos, sin embargo, esta emisión sería muy pequeña en los agujeros negros más grandes, por lo que se requeriría de dispositivos de detección de una precisión aun no disponibles, para que pudiese ser percibida.
En el extremo opuesto se encuentran los agujeros negros a escala cuántica, cuya emisión sería muy elevada, pero en escalas de tiempo muy pequeña, pues su duración sería ínfima, antes de evaporarse. Este tipo de agujeros negros que se esperaba pudiesen formarse en los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones, no han podido ser detectados.
Un tercer método es la detección de las ondas gravitacionales, producto del estallido de los agujeros negros que se evaporan producto de la emisión de esta radiación, sin embargo, para que esto ocurra en la actualidad, debería tratarse de agujeros formados durante las primeras etapas del universo primitivo, y ser agujeros microscópicos, cuya existencia es netamente hipotética, pues agujeros negros de masas superiores como los estelares o más aun los supergigantes, requerirían de tiempos muchas veces mayores a la edad actual del universo para evaporarse.
Existen otros experimentos que han pretendido simular el comportamiento de un agujero negro para comprobar la emisión de cuantos, sin embargo, estos experimentos no han sido comprobados, además de no representar una prueba absoluta de la existencia de este fenómeno.
¿Qué ocurrirá al final del tiempo?
En publicaciones anteriores he escrito sobre los diferentes escenarios que se darían en el fin del universo, de ellos, el más probable, según las estimaciones que actualmente se tienen sobre la cantidad de energía oscura y la geometría del espacio, es el denominado Big-Freeze o gran enfriamiento, que es consecuente con un escenario de muerte térmica del universo, en el cual no habría ninguna fuente de radiación térmica en todo el cosmos, y sólo existirían algunas escazas particular elementales dispersas por el vacío, con lo que la temperatura del cosmos descendería prácticamente hasta el cero absoluto.
En este escenario, él último remanente del universo que hoy conocemos que persistiría hasta el final del tiempo, serían los agujeros negros, los cuales existirían aun después de un hipotético escenario de desintegración de los protones, el cual conllevaría la completa desintegración a partículas elementales de cualquier objeto formado por bariones.
En este escenario, se daría la que sería denominada Era de los Agujeros Negros, durante la cual serán estos remanentes estelares, la única fuente de radiación existente. Tras haber devorado cualquier materia existente, los agujeros negros, ya inactivos, por la carencia de materia que absorber, empezarán a perder masa a causa de la radiación Hawking, hasta la completa extinción de todos ellos, la cual ocurriría al menos 10100 años después de que los agujeros negros sean los últimos objetos existentes en el universo.
Así, la Radiación Hawking, sería la última forma de emisión de radiación que se vería en el universo antes de su muerte térmica.
Con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado, estoy atento a sus comentario y preguntas. Gracias por su atención.
Notas:
Radio de Schwarzschild: es la medida del radio de un agujero negro de Schwarzschild, corresponde a la distancia desde la singularidad hasta el horizonte de sucesos. Su tamaño depende únicamente de la masa del agujero negro y su tamaño es directamente proporcional a esta.
Gravedad Cuántica: es un campo de estudio que pretende unificar en una sola teoría, la explicación a las cuatro fuerzas fundamentales, las fuerzas electromagnéticas, nuclear fuerte y nuclear débil, descritas por la teoría cuántica de campos, y la gravedad descrita por la teoría de la relatividad general. La gravedad cuántica pretende dar una explicación a la gravedad desde el punto de vista cuántico y a la vez explicar los efectos de ésta a escala cuántica.
Bibliografía:
- BBC Mundo. Qué es la "radiación de Hawking" de los agujeros negros y por qué no le valió el premio Nobel al físico británico, BBC Mundo.com
Cienciaplus. La 'inobservable' radiación de Hawking se hace evidente en laboratorio, Europapress.es - Nuñez, O. La radiación de Hawking, VIX.com
- Universidad Complutense de Madrid. A un paso de demostrar la radiación de Hawking, Universidad Complutense de Madrid.
- Wikipedia. Radiación de Hawking, Wikipedia.
- Wikipedia. Radio de Schwarzschild, Wikipedia.
- Wikipedia. Gravedad cuántica, Wikipedia.