Después de 50 años, un experimento finalmente muestra cómo podría extraerse energía de un agujero negro

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Después de 50 años, un experimento finalmente muestra cómo podría extraerse energía de un agujero negro

(University of Glasgow)

Un proceso teórico de 50 años para extraer energía de un agujero negro finalmente ha conseguido la verificación experimental.

La teoría comenzó con una idea sobre lo que sucede cuando bajas una sonda a la boca de un agujero negro.

Físicos de aquél entonces pensaban que necesitarían una máquina imposible para probar su teoría, pero ahora, investigadores de la Universidad de Glasgow lo han logrado.

Para entenderlo hay que repasar un poco sobre estos fenómenos cósmicos y revisar cómo es que se planteó el experimento hace ya varias décadas.

Los agujeros son el ciclo final de la vida de una estrella tan masiva que, una vez que se ha convertido en supernova, el núcleo ya no puede resistir su propia gravedad y colapsa totalmente en una singularidad: un único punto unidimensional de densidad infinita.

Esta singularidad se encuentra dentro de una región llamada horizonte de eventos: el punto en el que la gravedad alrededor del agujero negro es tan fuerte que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para lograr la velocidad de escape.

Y fuera del horizonte de sucesos, una región extendida de espacio-tiempo se retuerce a medida que se arrastra junto con la rotación del agujero negro, un efecto conocido como «arrastre de cuadros».

En 1969, el físico matemático Roger Penrose propuso que una región a las afueras del horizonte de eventos llamada ergosfera, donde el arrastre de cuadros es más fuerte, podría explotarse para extraer energía.

Según los cálculos de Penrose, si un objeto caído en la ergosfera se dividiera en dos, una parte se lanzaría más allá del horizonte de eventos.

La otra parte en cambio se aceleraría hacia afuera, con un empujón inicial desde el agujero negro. Si todo saliera bien, emergería de la ergosfera con alrededor de 21 por ciento más energía que con la que entró.

Intentar probar esto en aquella época era un sueño pero, en 1971, el físico soviético Yakov Zel’dovich propuso un experimento más práctico. Sugirió reemplazar el agujero negro con un cilindro metálico giratorio y disparar rayos de luz retorcidos sobre él.

Si el cilindro girara a la velocidad correcta, la luz se reflejaría con energía adicional extraída de la rotación del cilindro, debido a una peculiaridad en algo llamado efecto Doppler rotacional.

Este efecto se puede ver cuando una fuente giratoria emite ondas, que se acortan y alargan dependiendo de la dirección de la rotación. Las ondas del lado que gira hacia el observador parecerán acortarse; mientras que las ondas del lado que giran lejos parecerán alargarse.

Pero había un pequeño inconveniente con la propuesta de Zel’dovich. La velocidad del cilindro giratorio debería ser de al menos mil millones de rotaciones por segundo. En aquél entonces eso era imposible.

Aquí es donde entra el equipo de físicos de la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow en Escocia. Idearon un experimento basado en el trabajo de Zel’dovich, pero en lugar de usar ondas de luz, usaron ondas de sonido.

(University of Glasgow)

“Este concepto, que es un paso clave hacia la comprensión de que los agujeros negros pueden amplificar las fluctuaciones cuánticas, no se ha verificado experimentalmente debido al exigente requisito experimental de que la velocidad de rotación del cilindro debe ser mayor que la frecuencia de onda entrante. Aquí, demostramos experimentalmente que estas condiciones pueden satisfacerse con ondas acústicas «, dice el equipo en un comunicado.

Las ondas sonoras viajan mucho más lentamente que la luz y ocupan un rango de frecuencias mucho más bajo. Colocando un anillo de altavoces alrededor de un disco de espuma que absorbía el sonido y giraba rápidamente los investigadores relacionaron el experimento con el efecto Doppler.

En el experimento, la frecuencia de las ondas de sonido fue desplazada a cero a medida que aumentaba la velocidad de giro.

Cuando el sonido comenzó de nuevo las ondas se desplazaron de una frecuencia positiva a una frecuencia negativa.

Luego, cuando el sonido empezó de nuevo, se registró como un 30 por ciento más alto, porque las ondas de frecuencia negativas habían almacenado energía, tal y como lo predijeron Penrose y Zel’dovich.

«Este experimento aborda un problema pendiente en la física fundamental y tiene implicaciones para futuras investigaciones sobre la extracción de energía de los sistemas rotativos», escriben los investigadores. «Estamos ansiosos por ver cómo podemos investigar el efecto en diferentes fuentes, como las ondas electromagnéticas en el futuro cercano».

«Es extraño pensar que hemos podido confirmar una teoría de hace medio siglo con orígenes cósmicos aquí en nuestro laboratorio en el oeste de Escocia, pero creemos que abrirá muchas nuevas vías de exploración científica» dice el físico Daniel Faccio de la Universidad de Glasgow.

La investigación ha sido publicada en Nature Physics.

Fuente: Science Alert.

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