Se observa un análogo a la radiación de Hawking en un superfluido

Por Francisco R. Villatoro, el 30 mayo, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 5

La radiación de Hawking es un fenómeno cuántico asociado a la existencia de un horizonte. En una onda de choque en un superfluido acelerado hay un horizonte que separa la región supersónica de la subsónica; en 1981, William Unruh predijo la generación de radiación de Hawking en dicho horizonte. Se publica en Nature la observación de este fenómeno en un condensado de Bose–Einstein de unos 8000 átomos de rubidio-87. En concreto, ondas sonoras de frecuencia positiva en la región subsónica y de frecuencia negativa en la región supersónica. Además se ha estimado su temperatura y corresponde a la predicha para la radiación de Hawking.

Me gustaría destacar que el primer autor es el físico español Juan Ramón Muñoz de Nova, del Instituto Tecnológico de Israel (Technion), adonde se mudó desde la Universidad Complutense de Madrid para trabajar con el autor principal, Jeff Steinhauer. Sin embargo, esta nueva observación no está libre de críticas, como observaciones similares publicadas antes por los mismos u otros autores. Las propiedades cuánticas de la radiación de Hawking, como el entrelazamiento entre las partículas a ambos lados del horizonte, no se han podido observar. Tampoco se ha podido verificar que el espectro sea de cuerpo negro, aunque se parece bastante. De hecho, el sistema es cuántico, pero solo se han observado propiedades clásicas de la radiación de Hawking (descritas por una ecuación de Gross–Pitaevskii con un potencial y un término no lineal que no es polinómico).

Por ello, para los que sueñan con un Premio Nobel de Física para la radiación de Hawking, debo recordar que aún estamos muy lejos de una observación en un análogo físico de un agujero negro que lo merezca (por ejemplo, gracias a la observación de parejas de fonones entrelazados en el superfluido). El artículo es Juan Ramón Muñoz de Nova, Katrine Golubkov, …, Jeff Steinhauer, “Observation of thermal Hawking radiation and its temperature in an analogue black hole,” Nature 569: 688-691 (29 May 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1241-0arXiv:1809.00913 [gr-qc] (04 Sep 2018); más información divulgativa en Silke Weinfurtner, “Quantum simulation of black-hole radiation,” Nature 569: 634-635 (29 May 2019), doi: 10.1038/d41586-019-01592-x. Por cierto, ya habló de este artículo Sabine Hossenfelder, “Hawking temperature of black holes measured in fluid analogue,” Backreaction, 24 Sep 2018.

En mi reciente charla en Mijas sobre M87* (LCMF, 19 may 2019) aproveché que había niños en primera fila para ilustrar el concepto de horizonte con Tarzán, Boy y una cascada. Boy cae al río y Tarzán se lanza para salvarle nadando a favor del agua. En una cascada el agua se acelera conforme nos acercamos al borde. Si la velocidad de natación máxima de Tarzán es inferior a la velocidad del agua en el borde aparece un horizonte. Si Tarzán alcanza a Boy antes de superar el horizonte podrá nadar en sentido contrario a la corriente y salvarle. Si por desgracia le alcanza más allá del horizonte será arrastrado por la corriente y caerá por la cascada (como había niños afirmé que ambos también se salvarían gracias a la intervención de Jane y una liana). El horizonte está ahí, aunque no lo veamos, y su posición depende del actor que interprete a Tarzán (en concreto de su habilidad como nadador). Lo mismo pasa en un agujero negro astrofísico y una nave espacial, el horizonte para la nave depende de su velocidad máxima de propulsión; se llama horizonte de sucesos al horizonte para la velocidad máxima posible, la velocidad de la luz en el vacío, responsable de la causalidad en el universo.

La aceleración mediante un láser de un condensado de Bose–Einstein superfluido produce un salto hidráulico (x=0), una onda de choque que se propaga a cierta velocidad (v)  en el condensado. Aguas abajo (por delante) del frente de onda el fluido es supersónico (x>0, con v>c) y aguas atrás (por detrás) es subsónico (x<0, con v<c). Este sistema se comporta como un horizonte y según la teoría de Hawking–Unruh tiene asociada una temperatura de Hawking, ħ g /(2π c), donde el análogo de la aceleración superficial de la gravedad es g = c (dv/dx – dc/dx); si n es la densidad del superfluido, la fórmula es kBTH = −ℏ/(2π) ( (c/n) dn/dx + dc/dx )|x=0. En el experimento publicado en Nature esta temperatura es de 0.351(4) nK (nanokelvin); en la figura, abajo, corresponde a la curva negra, siendo las curvas azul y verdes las dos componentes de la expresión de TH. Se observará esta radiación de Hawking solo si esta temperatura es superior a la del condensado.

Esta figura compara las observaciones (arriba) con las predicciones teóricas (abajo); el acuerdo entre ambos es muy bueno, lo que los autores aprovechan para afirmar que se confirma la observación de la radiación de Hawking. En concreto, ésta se observa dentro del rectángulo verde (figura superior izquierda), donde se ha calculado el espectro usando la transformada de Fourier. La pareja de ondas sonoras asociadas a la radiación de Hawking se indican con la línea verde a trazos en la figura arriba izquierda, o con la línea roja continua en la simulación mostrada en la figura abajo izquierda. Como puedes observar en las figuras de la derecha se trata de un perfil en N (el típico de una onda de choque), luego junto a la radiación de Hawking propagante hay radiación copropagante (la línea verde continua en la simulación mostrada en la figura abajo izquierda).

El espectro de las ondas sonoras propagantes y coprogantes observadas se ajustan bien a las predicciones teóricas (basadas en la descripción del superfluido usando una ecuación de Gross–Pitaevskii con un potencial lineal adecuado y un potencial no lineal que no es polinómico; los detalles aparecen en la información suplementaria del artículo). No se observa una radiación de tipo cuerpo negro, por las limitaciones asociadas a la observación de ondas sonoras lejos de la frecuencia de corte; aún así el espectro observado se ajusta muy bien con el predicho por la teoría.

En resumen, que se publique en Nature no significa que se haya observado por primera vez la radiación de Hawking. El grupo de Jeff Steinhauer lleva varios años publicando este tipo de observaciones y todas ellas han recibido múltiples críticas de los expertos; en esta ocasión se ha confirmado la temperatura de Hawking pero los detalles de la radiación observada aún son parciales. La observación definitiva de la radiación de Hawking, que acabará conduciendo a un Premio Nobel de Física, aún requiere seguir trabajando con análogos físicos de agujeros negros. Seguiré al tanto de los progresos en esta línea de investigación.



5 Comentarios

  1. Si algún lector de Francis quedó intrigado con la analogía de horizonte y la cascada (párrafo cuatro de esta entrada) ,me gustaría recomendar un texto clásico divulgativo de Susskind donde se explica con un poco más de detalle e imágenes la situación; además el texto es corto, no tiene una sola ecuación y se mencionan otras maravillas.

    http://star.physics.yale.edu/~harris/Physics_120/Homework/BlackHolesandTheInformationParadox.pdf

    Gracias por la entrada Francis.

  2. A mì me pareciò muy instructiva la semejanza planteada con la catarata y el nadador, me surge, pues, el interrogante de si la analogìa va mas allà en el sentido de entender un agujero negro como un vertedero de espacio-tiempo, en el que a partir del horizonte la velocidad de caìda del “fluìdo espacio-temporal” superarìa a la de la luz. Me pregunto entonces lo siguiente: si cae espacio-tiempo al agujero negro quiere decir que el mismo fluye desde algùn lado ¿la expansiòn còsmica producida por la energìa oscura serìa entonces como el “manantial” de espacio-tiempo que luego va a caer en los agujeros negros?

  3. Hola,podía contar otra película mucho mas interesante y cierta,pero hoy no toca.

    De pequeño vi todas las películas con mis padres de Johnny Weissmüller,
    normalmente en cines de reestreno,sufría mucho cuando estaban en peligro,
    pero cuando íbamos a un cine de estreno (mucho mas caro) y terminaba
    bien la película ,cuando en el cine de reestreno veía otra mas antigua
    estaba mas tranquilo.

    Por cierto mi padre fue un gran nadador,podía alejarse mucho en el mar,
    un día intento enseñarme a nadar en la Malva Rosa pero tenia mucho miedo
    tragué mucha agua salada,me dijo que cuando el se encontraba cansado en
    mitad del mar,se daba la vuelta y hacia el muerto,cuando se recuperaba
    seguí nadando.

    Entiendo que esto no contiene mucha Física (pero es verdad).

    Si no toca tampoco, se puede borrar.

    Un saludo y gracias.

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