Desde que se observaron por primera vez en 2015, las ondas gravitacionales han permitido a los científicos detectar una gran cantidad de agujeros negros nunca antes vistos y determinar algunas de las propiedades generales de los objetos, como sus masas y distancias de la Tierra. Pero un par de físicos del Reino Unido cree que debería ser posible hacerlo mucho mejor. Los investigadores argumentan en un nuevo artículo que las ondas gravitacionales podrían decirnos con cierto detalle cómo los agujeros negros se tragan los objetos a medida que crecen y, al hacerlo, ayudar a resolver la paradoja de la información provocada por la radiación de Hawking.
Los agujeros negros son famosos por devorar cualquier objeto que cruce sus horizontes de sucesos. Al mismo tiempo, se cree que filtran continuamente energía al espacio en forma de Radiación de Hawking. Propuesta por Stephen Hawking en 1974, esta emisión es radiación de cuerpo negro que hace que un agujero negro se encoja y eventualmente desaparezca. La única característica no aleatoria de estos fotones que se escapan es su energía, que está determinada por la masa del agujero negro. Esta emisión conduce a una paradoja: el agujero negro perderá toda la información que una vez contuvo sobre los objetos que capturó, lo que contradice la no destrucción de información estipulada por la mecánica cuántica.
Los físicos han presentado numerosas soluciones posibles a este rompecabezas, la mayoría de las cuales involucran alguna codificación sutil de información dentro de la radiación de Hawking. Pero Luis Hamaide y Teo Torres del King's College de Londres consideran que las ondas gravitacionales pueden ofrecer una salida más natural. Descubrieron que casi toda la información sobre cualquier objeto absorbido por un agujero negro sería recuperable midiendo la radiación gravitacional emitida a medida que ese objeto desaparece en el olvido.
Hasta ahora, los observatorios LIGO-Virgo han detectado ondas gravitacionales de agujeros negros. Se trata de interferómetros láser del tamaño de un kilómetro que detectan señales emitidas por pares de agujeros negros a medida que se acercan en espiral y luego se unen. Estos agujeros negros son tan masivos que su radiación gravitacional es lo suficientemente fuerte como para seguir siendo detectable después de propagarse millones de años luz hasta la Tierra.
objeto que cae
En su nueva investigación, Hamaide y Torres, en cambio, consideran la radiación emitida por objetos muy pequeños que caen en los agujeros negros de Schwarzschild: estos son agujeros negros que no giran y no tienen carga eléctrica. Los cálculos del dúo explotan la teoría de la perturbación, que es esencialmente una corrección de las propiedades de un agujero negro por parte del objeto que cae. Este enfoque produce una expresión analítica exacta para la radiación emitida, en contraste con las simulaciones numéricas y el ajuste de curvas necesarias para calcular el comportamiento de dos cuerpos con masas similares.
Trabajando a través de las ecuaciones, los investigadores encontraron que la firma dejada por un objeto que cae es sorprendentemente simple. Mientras que la masa del agujero negro está ligada a la frecuencia de las ondas gravitacionales, la masa del objeto capturado está codificada en la amplitud de las ondas. El momento de la captura se revela por la fase de la radiación, mientras que su trayectoria se puede calcular observando la emisión desde múltiples puntos de vista.
Hamaide sostiene que estos datos serían mucho más fáciles de recopilar e interpretar que la información "muy dispersa" que quizás se pueda obtener de la radiación de Hawking. “Estamos viendo que la información viene en paquetes muy bonitos”, agrega.
Sin embargo, otros investigadores se muestran escépticos acerca de la utilidad de estas firmas de ondas gravitacionales. Robert Mann de la Universidad de Waterloo en Canadá argumenta que lo que importa no es la información sobre los objetos que caen en un agujero negro una vez que se ha formado, sino el conocimiento de lo que creó el agujero negro en primer lugar. También dice que los autores tienen un punto válido acerca de que un agujero negro es "básicamente un sistema cuántico abierto", pero señala que llevan a cabo muy poco análisis cuántico o incluso semiclásico.
Déficit cuántico
Hamaide y Torres reconocen que las firmas son completamente clásicas, mientras que la descripción completa del objeto sería mecánica cuántica, en forma de función de onda. Calculan que la información clásica representaría bastante más del 99.9% del total, pero señalan que solo el 100% servirá para resolver por completo la paradoja de la información. En otras palabras, dicen, no importa cuán precisas sean las mediciones, su análisis nunca recuperará toda la información de un agujero negro.
De hecho, Víctor Cardoso de la Universidad de Lisboa en Portugal y el Instituto Niels Bohr en Copenhague argumenta que no sería posible medir la información clásica en todos los casos, dado que la materia colapsando con simetría esférica completa no generaría ondas gravitacionales. Cardoso también duda de que se puedan realizar mediciones prácticas, dado que dice que sería necesario contar con múltiples detectores infinitamente sensibles que rodeen la fuente.
Jorge Pullín de la Universidad Estatal de Luisiana en los EE. UU. también se muestra escéptico sobre la utilidad práctica del último trabajo, al tiempo que elogia los "puntos interesantes sobre la recuperación de información" de los autores. Señala que las observaciones actuales de las ondas gravitacionales luchan por resolver la masa y el giro de los objetos en colisión (incluido el signo de este último). “No es probable que esto cambie demasiado en un futuro cercano”, agrega.
Hamaide reconoce que las diminutas señales del sistema pertubativo que han considerado no podrían ser detectadas por ningún detector existente o planificado. Aún así, argumenta que hay un aspecto de su trabajo que debería ofrecer consuelo a los astrofísicos de hoy. Este es el hecho de que descarta la posibilidad teórica (conocida como degeneración) de que a medida que los detectores de ondas gravitacionales se vuelvan más sensibles, será más (no menos) difícil encontrar valores específicos para las masas de los agujeros negros y otras propiedades. “Eso no sucederá”, dice.
La investigación se describe en Gravedad Clásica y Cuántica.
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