Agujeros negros de sonido

Hace ya poco más de un año hablando sobre el Alarmismo ante el LHC comentaba que se estaban modelizando horizontes de sucesos en condensados de Bose-Einstein usando como analogía el sonido en vez de la luz y creando, por tanto, agujeros negros de sonido. Pues bien, recuperando ese tema, viene al pelo un paper publicado recientemente en Arxiv.org y que se titula A Sonic Black Hole in a Density-Inverted Bose-Einstein Condensate (arxiv.org/abs/0906.1337).

Antes de meternos con el tema, podemos resumir la Condensación de Bose-Einstein (BEC) como una exótica situación en la que la materia se comporta de forma coherente, de manera análoga a cómo lo hacen los fotones en un láser. Únicamente se puede dar en compuestos formados por átomos que globalmente se comporten como bosones (la suma de todos los espines de las partículas que los componen tiene que ser un número entero). Entonces se enfría a temperaturas muy bajas y como los bosones no tienen que cumplir el Principio de Exclusión de Pauli (explicado en ¿Por qué no existen átomos con cualquier número de protones? ) como pasa con los electrones, entonces todos los átomos caen al estado de menor energía y se produce el BEC.

Una de las muchas propiedades curiosas de los BEC es que el sonido que se propaga a su través está gobernado por las mismas ecuaciones que describen cómo la luz es desviada en un campo gravitatorio. Esto permite la posibilidad de construir toda clase de divertidos experimentos que reproduzcan, con sonido y BECs, cualquier clase de relación entre la luz y la gravedad.

Hoy, Ori Lahav y sus compañeros en el Israel Institute of Technology en Haifa dicen que han creado el equivalente sonoro a un agujero negro en un BEC: Este es un logro con el que se ha soñado desde hace unos 30 años, y varios grupos capaces de crear BECs competían en una carrera por ser los primeros en crear un agujero negro sonoro. La idea general es conseguir un flujo supersónico de átomos a través del BEC. Las ondas de sonido moviéndose en contra de este flujo nunca son capaces de salir. Por tanto la región en la que el flujo pasa de ser subsónico a supersónico se convierte en un horizonte de sucesos. Y las ondas de sonido (fonones) creados en el interior del horizonte de sucesos nunca pueden abandonarlo porque el flujo en el borde es supersónico. Y aquí tenemos nuestro modelo de agujero negro.

Lahav y compañía han conseguido un flujo supersónico creando un pozo de potencial profundo en el medio de un BEC que atrae los átomos. Éstos se zambullen en el interior pero no ceden ninguna energía para pasar a ese estado, pues ya se encuentran en el estado fundamental que es el de menor energía y por eso atraviesan el pozo a velocidad supersónica.

El resultado es una región en el BEC en la cual los átomos se propagan a velocidad supersónica. Este es el agujero negro: ningún fonón es capaz de atravesar esta región y queda atrapado.

Una de las razones por las que los agujeros negros de sonido son tan preciados es que serían capaces de producir radiación de Hawking (recomiendo, en caso de no saber en qué consiste, releer el artículo citado al principio donde se reseña brevemente en qué consiste ésta radiación). La Mecánica Cuántica predice que pares de fonones virtuales con la misma cantidad de movimiento, pero direcciones opuestas, estarían creándose y destruyéndose constantemente en el borde del horizonte de sucesos.

Si uno de los miembros de estos pares es capaz de cruzar el horizonte de sucesos, entonces sería succionado por el agujero negro para nunca salir. En cambio el otro, sería capaz de escapar. Y al no poder volverse a aniquilar para cumplir el Principio de Incertidumbre, entonces el fonón que se escapa pasa de ser virtual a ser real y consiste en una pérdida neta de fonones para el agujero negro. Justamente, la radiación de Hawking. Aunque todavía no se ha observado.

Lahav y sus compañeros no han llegado tan lejos aún pero han hecho si cabe el paso más importante, que es conseguir el agujero negro sonoro. Posteriormente, se intentará encontrar la radiación de Hawking y tienen puestos sus ojos en esta meta.

En realidad, no se trata de una competición y la creación de el primer agujero negro sonoro tiene que ser verificada. Y esperamos que la radiación de Hawking sea detectada a la mayor brevedad.

De lectura recomendable:

• Condensación de Bose-Einstein.

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