Fabricado el primer agujero negro acústico en un condensado de Bose-Einstein

Leer Menéame te permite estar al loro de noticias cientifíco-técnicas que de otra manera te pasarían inadvertidas. Como no, mezvan, ha logrado colar en portada un artículo de ArXiv, en concreto “Científicos crean un agujero negro acústico en un condensado de Bose-Einstein,” http://arxiv.org/abs/0906.1337 (por cierto, yo también lo logré una y hasta dos veces). Requiere esfuerzo y tesón, pero mezvan atesora ambos.

Se ha observado experimentalmente la formación de un agujero negro acústico (lo que Unruh llama el agujero negro de los idiotas, dumb hole) en un estado condensado de Bose-Einstein (BEC). No se ha observado la radiación de Hawking, pero parece que pronto podrá lograrse. [mezvan: c&p] “Una de las muchas curiosas propiedades de los condensados de Bose-Einstein (BECS) es que el flujo de sonido a través de ellos se rige por las mismas ecuaciones que describen cómo la luz se curva por un campo gravitatorio. Ori Lahav y sus colegas del Instituto de Tecnología de Israel en Haifa dicen que han creado el equivalente sonoro de un agujero negro en el BEC. Esto es un gran progreso pues algunos físicos se han preguntado durante unos 30 años si era posible recrear esta situación …” (Sin que sirva de precedente he incluido un c&p de mezvan).

La teoría de la relatividad general de Einstein predice la existencia de los agujeros negros, regiones del espaciotiempo delimitadas por un horizonte de sucesos de las que ni siquiera la luz puede escapar. Stephen Hawking predijo en 1974 que todo agujero negro tiene una temperatura finita en su superficie y emite radiación. Para un agujero negro con r veces la masa del Sol, la temperatura de la radiación de Hawking es muy pequeña, unos 60/r nK (nanogrados Kelvin), muy inferior a la temperatura del fondo cósmico de microondas, unos 2.7 K (grados Kelvin). Observar la radiación de Hawking en un agujero negro astrofísico es prácticamente imposible.

Dibujo20090610_hydraulic_jump_circular_stationary_wave_around_central_stream_water_(C)_wikiUnruh propuso en 1981 (aunque otros lo habían propuesto antes, él es el más famoso por hacerlo) un modelo hidrodinámico análogo a un agujero negro. Unruh les llamó dumb holes (“agujeros idiotas”) [artículo de Unruh]. Aunque es fácil observar este tipo de agujeros negros, por ejemplo abriendo un grifo en el fregadero de nuestra cocina, es muy difícil de observar la radiación de Hawking en ellos, con una temperatura efectiva de unos 100 nK (nanogrados Kelvin).

Un salto hidráulico se forma entre la zona plana alrededor del chorro que impacta sobre el fregadero y la región turbulenta (la más visible en la foto). ¿Por qué esta región de fluido está plana y suave? Porque allí el agua se mueve a una velocidad mayor que la velocidad de las ondas en la superficie del agua (el análogo a un horizonte de sucesos). Ninguna onda de superficie puede entrar en esta región del agua, por ello, no observamos ondas en ella. Todo el agua fluye hacia afuera, reduciendo su velocidad hasta que alcanza la velocidad de las ondas de superficie en el agua, momento en el que aparecen ondas, que observamos en la figura como ondas en forma de anillo, justo antes de la región turbulenta. El punto en el que se inician estas ondas correspondería al horizonte de sucesos, en este caso, de un agujero blanco, lo contrario a un agujero negro, en el que todo lo que está dentro es emitido o expulso hacia afuera. Tras estas ondas suaves en forma de anillos se observa una región en la que el fluido se vuelve complicado (turbulento). Con cuidado es posible reducir esta turbulencia para observar mejor las ondas que marcan el inicio del horizonte de sucesos. ¿Te atreves a repetirlo en tu propia casa?

Para observar la radiación de Hawking en un análogo hidráulico de un agujero negro es necesario un sistema físico hidrodinámico que opere a muy baja temperatura. El ideal es un estado condensado de Bose-Einstein. Experimentalmente realizados por primera vez en 1995, fue nuestro genial investigador Juan Ignacio (Nacho) Cirac (Sasturain) quien junto a Luis J. Garay y otros propusieron el uso de estados condensados de Bose-Einstein como análogo acústico de agujeros negros gravitatorios en los que se podría observar la radiación de Hawking (los artículos técnicos son L. J. Garay, J. R. Anglin, J. I. Cirac, P. Zoller, “Sonic Analog of Gravitational Black Holes in Bose-Einstein Condensates,” Phys. Rev. Lett. 85, 4643-4647, 2000 [ArXiv] y su versión larga L. J. Garay, J. R. Anglin, J. I. Cirac, P. Zoller, “Sonic black holes in dilute Bose-Einstein condensates,” Phys. Rev. A 63: 023611, 2001 [ArXiv]).

Garay y sus compañeros proponían que en un estado condensado de Bose-Einstein (BEC) alargado en movimiento rápido, más rápido que la velocidad del sonido (ondas acústicas) en el propio condensado, se podrían formar un horizonte de sucesos para los fonones (ondas acústicas) que separaría una región supersónica (central) de dos regiones subsónicas laterales. Entre la región subsónica y la supersónica se formaría el análogo a una agujero blanco (los fonones no pueden entrar a la región supersónica) y entre la región supersónica y la subsónica se formaría el análogo a un agujero negro (los fonones no podrán salir de la región supersónica). Su análisis matemático utilizaba un modelo aproximado para el BEC basado en la ecuación de Gross-Pitaevskii, análoga a un modelo hidráulico gracias a las ecuaciones de Bogoliubov. Sus artículos presentan simulaciones numéricas (mediante paso-dividido (Fourier split-step) fácil de implementar en menos de media página en Matlab) que avalan la posibilidad de observar radiación de Hawking en este sistema. Por ejemplo, en un BEC de átomos de Rubidio presenta una velocidad del sonido de unos 6 mm/s (milímetros por segundo) fácil de superar experimentalmente para lograr que se mueve supersónicamente. Numéricamente se calcula un horizonte de sucesos de 1 micrómetro (fácil de observar). ¿Cuál es la temperatura de la radiación de Hawking? Unos 7 nK (nanoKelvins), que no es imposible de medir experimentalmente dado que el BEC debe ser enfriado a unas decenas de nanoKelvins.

Dibujo20090610_bec_density_plot_left_dumb_hole_right_no_dumb_hole

La radiación de Hawking es un fenómeno cuántico. El modelo numérico de Garay et al. es cuasiclásico. La pregunta salta a la vista. ¿Realmente se puede observar la radiación de Hawking en agujeros negros en estados condensados de Bose-Einstein? Simulaciones numéricas por ordenador de un modelo cuántico para el BEC (basadas en la técnica de Wigner) han mostrado que sí, que se puede observar la radiación de Hawking. El artículo técnico es Iacopo Carusotto, Serena Fagnocchi, Alessio Recati, Roberto Balbinot, Alessandro Fabbri, “Numerical observation of Hawking radiation from acoustic black holes in atomic Bose-Einstein condensates,” New J. Phys. 10: 103001, 2008 [ArXiv]. La noticia en Menéame también llegó a portada. La figura de arriba muestra la radiación de Hawking observada numéricamente (figura (a) en la izquierda) para un BEC que se mueve supersónicamente. Si el BEC se mueve subsónicamente (figura (b) en la derecha) no se observa dicha radiación. El siguiente vídeo muestra el proceso de generación de la radiación de Hawking en detalle.

Dibujo20090610_experimental_bec_density_and_velocity_curves_numerically_calculated¿Pero es posible obervar experimentalmente los agujeros negros acústicos en BEC? Sí, muchos grupos de investigación lo han intentado y parece que los primeros han sido los israelitas O. Lahav, A. Itah, A. Blumkin, C. Gordon, J. Steinhauer, “A sonic black hole in a density-inverted Bose-Einstein condensate,” ArXiv, Submitted on 7 Jun 2009 (el artículo seguramente lo habrán enviado a Nature o Science y seguramente acabará siendo aceptado para publicación).

Han sometido un estado condensado de Bose-Einstein alargado (con forma de cigarro de 3.7 micrómetros de ancho y 180 micrómetros de largo) de unos 100 mil átomos de Rubidio en una trampa magnética a un potencial atractivo, lo que ha producido una inversión de la densidad (la zona negra en las imágenes de arriba donde la densidad es más baja que alrededor). En dicha región, la velocidad del sonido en el BEC calculada numéricamente (por la fórmula que vemos a la izquierda) crece, a menor densidad, mayor velocidad, alcanzando experimentalmente una velocidad de flujo de los átomos en el BEC mayor que la velocidad del sonido (de las ondas acústicas o fonones) dada por la curva negra en la figura de la izquierda. El flujo supersónico (curvas de colores) alcanza una velocidad un orden de magnitud mayor que la del sonido en el propio medio. Se observa una amplia región alrededor de x=0 separada entre un horizonte de sucesos de un agujero negro (puntos negros) y de uno blanco (signos +).

La analogía con el agujero negro nos permite calcular la gravedad superficial equivalente en el horizonte de sucesos del “agujero idiota” resultando un valor efectivo de g=0.15 m/s^2, es decir, unos 13 órdenes de magnitud más pequeño que el valor típico para una agujero negro de masa solar. La temperatura de Hawking es sólo dos órdenes de magnitud menor, del orden de 0.3 nK (nanogrados Kelvin). El horizonte de sucesos se ha mantenido durante unos 8 ms (milisegundos), lo que es mucho tiempo.

¿Han observado la radiación de Hawking? No, no la han observado. ¿Por qué? La temperatura de Hawking es demasiado pequeña, dentro de los límites de error de la propia temperatura del BEC. Para observarla necesitarían que la temperatura de Hawking fuera un orden de magnitud mayor, entre 2 y 7 nK. ¿Se puede amplificar de alguna manera la radiación de Hawking para que alcance este valor? Los autores creen que sí. Podría darse un efecto resonante (similar al que produce luz en un láser) entre los dos horizontes de sucesos de tal forma que se amplificara la radiación de Hawking (de fonones). Técnicamente hacer el experimento es difícil, pero no imposible.

Hawking debe estar dando saltos de alegría en su silla. Y Nacho Cirac también, cada día más próximo al Nobel.

Más en este blog sobre radiación de Hawking y agujeros negros: Láseres de agujeros negros, radiación de Hawking del universo y energía oscura (o a ver cómo le damos un Premio Nobel a Stephen Hawking) (Publicado por emulenews en Marzo 24, 2008).

5 Comentarios

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MiGUi

La noticia salió en arxivblog por la mañana y mezvan la puso bien entrada la tarde, todo es tener los feeds adecuados xD

sebaseba

bueno el articulo, sin embargo la traduccion de dumb es mudo y no idiotas, jajaj

nOesznOesz

Dios es capaz de crear partículas de materia de distintos tamaños y formas… y quizás de densidades y fuerzas distintas, y de este modo puede variar las leyes de la naturañeza, y hacer mundos de tipos diferentes en diferentes partes del universo. Yo por lo menos no veo en esto nada contradictorio.

Isaac Newton

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