Replican la evaporación de un agujero negro en sistema óptico análogo

Entre 40 y 70 artículos al año es el promedio de la participación de autores latinoamericanos en la revista científica Nature; de esas contribuciones, la mayoría son de áreas biológicas o física de altas energías, debido a la participación en proyectos internacionales como los aceleradores de partículas y observatorios astrofísicos.

Por ello, cobra mayor relevancia la reciente publicación del artículo Backreaction of stimulated Hawking radiation in an optical analogue, donde participaron de manera destacada el investigador David Bermúdez Rosales y los graduados del Cinvestav, Raúl Agüero Santacruz y Lorenzo Manuel Procopio.

Según Agüero Santacruz, graduado del Departamento de Física del Cinvestav, su participación en este artículo consistió en desarrollar la parte teórica del experimento donde se demostraba la retroacción de la radiación de Hawking en un análogo óptico; es decir, validar la teoría que desarrolló Stephen Hawking en la década de 1970, según la cual los agujeros negros deberían emitir radiación térmica y, como consecuencia, evaporarse lentamente.

“Hoy en día sabemos que muchos agujeros negros se forman a partir del colapso gravitacional de estrellas masivas al final de su vida, por lo que concentran una enorme cantidad de masa en una región del espacio limitada por su horizonte de eventos, una frontera a partir de la cual nada puede escapar. Sin embargo, Stephen Hawking propuso que estas entidades deberían emitir radiación térmica y evaporarse. La pérdida de energía asociada a esta evaporación implica que el sistema que la produce debe modificarse, a eso se le conoce como retroacción”, sostuvo Agüero Santacruz.

De acuerdo con David Bermúdez Rosales, la radiación que emana del agujero negro es del tipo térmica, y al perder esa energía el agujero negro debería perder masa. Pero todavía se desconoce el mecanismo microscópico que produce esa evaporación del agujero negro.

“Lo que desarrollamos fue una formulación matemática a fin de saber el origen de la radiación de Hawking en el análogo óptico que después se pudo corroborar en un experimento desarrollado por un grupo de investigación del Instituto Weizmann de Ciencias en Israel, encabezado por Ulf Leonhardt.

En este tipo de sistemas ópticos se creía que la radiación de Hawking surgía mediante una cadena de conversiones. Pero en el estudio demostramos que su origen es una interacción elemental entre dos campos de luz”, explicó el investigador del Departamento del Cinvestav.

La aportación del Cinvestav fue describir el mecanismo microscópico responsable del efecto basada en mecánica cuántica. De esa manera, en el experimento realizado en el Instituto Weizmann con fibras de cristal fotónico, se mostró que la interacción entre un campo intenso y otro débil produce simultáneamente la radiación de Hawking con frecuencia positiva, la llamada compañera de Hawking con frecuencia negativa, emitidas en el infrarrojo y ultravioleta, respectivamente, además de una señal de retroacción también en el ultravioleta, observada experimentalmente por primera vez.

“Nosotros teorizamos cómo sucedía la radiación de Hawking en el experimento análogo óptico, donde identificamos el análogo del agujero negro astrofísico y propusimos, a través de ecuaciones, cómo debería manifestarse su retroacción en el experimento desarrollado por nuestros colegas del Instituto Weizmann”, explicó Raúl Agüero Santacruz.

“Predijimos que esta retroacción se manifestaría como una nueva emisión de luz con una frecuencia específica, la cual fue después medida por Lorenzo Manuel Procopio, también graduado del Cinvestav, en el experimento”, dijo Bermúdez Rosales.

Si bien el experimento tiene las limitaciones de no poder comprobarse a nivel astrofísico, los resultados sugieren que algunos de los mecanismos de la radiación de Hawking y su retroacción en sistemas análogos podrían también desempeñar un papel en los agujeros negros astrofísicos y en otros sistemas análogos, como los condensados de Bose-Einstein o fluidos cuánticos, por lo que su impacto atañe a otras áreas de la física moderna.

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