El gran acto de desaparición de la gravedad

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Artículo publicado por Diana Steele en febrero de 2010 en la web de Cosmos.

La gravedad puede estar fugándose de los agujeros negros hacia una nube invisible de dimensiones curvadas. Esta teoría puede parecer extraña, pero algunos físicos piensan que pueden probarla creando agujeros negros diminutos en el LHC.

Los agujeros negros parecen la respuesta de la ciencia a un hecho de ciencia ficción: curvando el propio tejido del espacio-tiempo y atrapando la materia y la luz en un agarre gravitatorio mortal, esperan allí, listos para tragarse flotas de naves espaciales y mundos enteros.

Gravedad y Teoría del Todo


Los científicos recientemente han dado a los agujeros negros un nuevo papel – como protagonista en una superproducción de un tipo distinto: ayudar a los físicos a evaluar la existencia de otro de los favoritos de la ciencia-ficción, las dimensiones extra ocultas del espacio.

Para ello, ahora parece que los titanes astrofísicos de varias veces la masa del Sol, o los agujeros negros enanos menores que una partícula subatómica podrían proporcionar una prueba de la existencia de otras dimensiones.

Los astrofísicos están mirando en el espacio con renovado entusiasmo, intentando ver si los grandes agujeros negros están colapsando en escalas de tiempo detectables por los telescopios modernos. En tal caso, podría significar que los agujeros negros están evaporándose hacia dimensiones extra.

En el laboratorio, agujeros negros muchísimo más pequeños que nada que pueda ser observado con un microscopio, podrían ser producidos en el gran colisionador hadrónico (LHC) de Europa, ahora que está de nuevo operativo.

La detección de dichos agujeros negros, que podrían evaporarse en un montón de partículas subatómicas en una fracción de segundo, podrían evidenciar la existencia de dimensiones extra ocultas.

Lo que hace plausible cualquiera de esas ideas es una teoría propuesta hace tan sólo alrededor de diez años, que pretende explicar la debilidad de la gravedad suponiendo que parte de ésta se está escapando hacia dimensiones extra. (En realidad, que la gravedad actúa en más dimensiones de las conocidas).

La gravedad puede parecernos fuerte porque hace difícil subir las colinas. Pero una de las paradojas fundamentales sobre la gravedad es que es de hecho muy débil: un imán de frigorífico puede levantar un clip, contrarrestando la fuerza gravitacional de la Tierra tirando de éste hacia abajo.

Los físicos de partículas lo llaman “problema de la jerarquía”, refiriéndose al hecho de que el resto de fuerzas de la naturaleza son 30 órdenes de magnitud más fuertes.

“Es difícil explicar un factor tan grande desde la matemática o debido a un principio físico”, dice Greg Landsberg de la Universidad de Brown en Providence, Rhode Island, en Estados Unidos. “Es un poco avergonzante para nuestro campo, porque significa que no entendemos la gravedad”.

Isaac Newton enunció en el siglo XVII que la gravedad es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia entre dos objetos. Si la luna estuviera dos veces más lejos de la tierra de lo que está, sentiría un cuarto de la gravedad que siente. Pero en 1998, los físicos teóricos Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Gia Dvali señalaron que la gravedad no había sido medida antes a distancias menores de un milímetro.

Supón, sugirieron, que la gravedad difiere de lo esperado por la Ley de Newton a distancias muy pequeñas. Esto puede suceder si existen dimensiones espaciales extra accesibles a la fuerza de la gravedad.

Estas dimensiones ocultas podrían tener la forma, por ejemplo, de la circunferencia de una manguera. A distancia, la manguera parece una línea, pero vista de cerca, tiene una segunda dimensión curvada.

Arkani-Hamed, Dimopoulos y Dvali, cuyo modelo es conocido como ADD, la abreviatura de sus nombres, sugieren que podrían existir dimensiones extra de un milímetro de diámetro.

“En principio, las dimensiones extra pueden ser muy pequeñas, billones y billones de veces más pequeñas que un milímetro, y esto es lo que la teoría de cuerdas predice”, dice el astrofísico teórico Dimitrios Psaltis de la universidad de Arizona en Tucson. Pero “si introduces dichas dimensiones extra, entonces la gravedad se debilita en cierto modo”.

La gravedad puede extenderse en estas dimensiones extra mientras que las otras fuerzas conocidas y las partículas permanecen en las tres espaciales. Así, la gravedad podría ser tan fuerte como las otras fuerzas, pero sólo se sentiría con fuerza a distancias cortas.

Las pequeñísimas dimensiones extra diminutas y curvadas no son la única posibilidad. En 1999, los físicos teóricos Lisa Randall y Raman Sundrum propusieron que una dimensión extra podría estirarse hasta el infinito. Si dicha teoría es cierta, implicaría también que a distancias muy pequeñas, la gravedad sería mucho más fuerte que lo predicho por la ley de la gravitación universal de Newton.

La idea de dimensiones extra “grandes” revolvió a los físicos experimentales.

Hasta ahora, los físicos han medido con dispositivos de pequeña escala la fuerza de la gravedad a distancias del orden de 50 micrómetros -el espesor de un cabello humano, y no han encontrado ninguna desviación de la ley de Newton. Pero continúan buscando.

Los agujeros negros, dado que son los objetos más densos gravitatoriamente del universo, podrían proporcionar otra forma de poner a prueba la hipótesis de la existencia de dimensiones extra. Los agujeros negros saben algo de la gravedad. El truco reside en revelar sus secretos.

En la década de 1970, el físico teórico británico Stephen Hawking encontró que los agujeros negros perdían masa. Esta masa desaparece con el tiempo en la forma de lo que ahora se conoce como radiación de Hawking. ‘Con el tiempo’ quiere decir en intervalos de miles de millones de años. Los agujeros negros más masivos tardan más tiempo en desaparecer. Pero si son pequeños, la tasa de evaporación se acelera.

Y si hay dimensiones extra del tipo de Randall-Sundrum, los agujeros negros astrofísicos podrían emitir ondas gravitacionales en dichas dimensiones y evaporarse antes de lo previsto en caso de no existir dichas dimensiones.

Así que Psaltis pensó que encontrando un agujero negro pequeño realmente viejo limitaría el tamaño de las dimensiones extra. “Si descubres que un agujero negro tiene una edad de 100 millones de años”, dice Psaltis, “significa que no se habría evaporado, que no habría perdido su masa muy muy rápido”.

Pero hallar la edad y la masa de un agujero negro no es fácil a grandes distancias. Así que Psaltis probó de otra forma más indirecta.

Encontró un agujero negro que parecía haber sido expulsado fuera del plano de la Vía Láctea por una violenta explosión supernova. Dado que el agujero negro habría nacido durante la explosión, Psaltis pudo estimar su edad midiendo la velocidad con la que éste y su estrella compañera se alejan de la galaxia, para encontrar entonces cuándo fue eyectado.

Calculó que este agujero negro, J118+480, tenía al menos 11 millones de años. Usando dicha edad y una estimación de su masa, Psaltis encontró un límite superior de 80 micrómetros al tamaño de cualquier dimensión extra, publicado en Physical Review Letters en 2007.

Tim Johanssen, estudiante de doctorado de Psaltis, tuvo la idea de medir si los agujeros negros pierden masa, que no depende de su edad. La mayoría de los agujeros negros unas pocas veces más masivos que el sol han sido detectados porque orbitan en torno a una estrella compañera.

Las masas de la estrella y del agujero negro, así como la distancia entre ellos, determina cómo de rápido las dos rotan alrededor de sí mismos, como un par de patinadores olímpicos rotando alrededor cada uno alrededor del otro en una espiral mortal. Si la masa del agujero negro cambia, la tasa a la que orbitan él y su compañera, llamada período orbital, cambiará también.

Johanssen calculó a qué velocidad debería perder masa el agujero negro para que el efecto en el período orbital fuera apreciable. “Los mecanismos astrofísicos normales doblan o reducen a la mitad el período en escalas temporales del orden de la edad del universo, esto es, miles de millones de años”, dice Psaltis.

“Si existen dimensiones extra, y tienen un tamaño de décimas de milímetro, entonces esa escala de tiempo se reduce a algunos millones de años, lo que significa que si haces una observación durante un año, esperas un cambio en el período orbital de unas pocas millónesimas. Esto es pequeño, pero puede observarse en sistemas binarios”.

Johanssen, Psaltis y el astrónomo Jeffre McClintock del Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics en Boston observaron detalladamente el sistema binario más estudiado, A0620-00, que ha sido observado durante una década. Hasta ahora, se ha encontrado un cambio en su período orbital. Lo que reduce la cota superior de la dimensión extra a menos de 161 micrómetros. Sus resultados aparecieron en febrero de 2009 en Astrophysical Journal.

Otro investigador, Oleg Gnedin, de la universidad de Michigan, en Ann Arbor, extrapoló el trabajo de Psaltis. Gnedin se enteró de un descubrimiento reciente de un agujero negro en un cúmulo globular, que son de las agrupaciones estelares más viejas del universo.

Los agujeros negros en los cúmulos globulares tienen del orden de 10 000 millones de años. Su mera existencia limita el tamaño de la dimensión de tipo Randall-Sundrum a menos de tres micrómetros, dice Psaltis.

Dicho trabajo fue publicado en Junio de 2009 en arxiv.org*, una colección en línea de artículos científicos mantenida por la Universidad de Cornell.

Aunque el trabajo de los cúmulos globulares pone el límite más estricto en el tamaño de la dimensión extra, los investigadores admiten que el resultado está basado en muchas suposiciones.

Psaltis pone sus esperanzas en observaciones de sistemas binarios porque, según él, “miden lo que le está pasando al agujero negro que estamos osbservando. No depende de su historia”.

Dice que incluso aunque los investigadores no han observado ningún cambio en el período orbital hasta ahora, no significa que las dimensiones extra no existan, tan sólo que no las hemos encontrado todavía. Cualquier cambio en el período orbital, dice, pondría a prueba el modelo estándar actual.

Pero incluso si las teorías con dimensiones extra son correctas, los observadores pueden que nunca encuentren dichas dimensiones en los agujeros negros astrofísicos.

Una razón puede ser que las dimensiones extra sean de tipo ADD, pequeñas y curvadas, en cuyo caso no causan ninguna diferencia en los agujeros negros masivos en el espacio.

La otra puede ser que los agujeros negros no se evaporen más rápido en otras dimensiones incluso si éstas existen, dice Randall, la físico teórica de Harvard que participó en la elaboración de dos populares modelos de dimensiones extra. “La gente ha sugerido que la tasa de desintegración de los agujeros negros podría ser una forma de diferenciar los modelos”, dice, pero ” ésto no está completamente resuelto”.

La detección de un pequeñísimo agujero negro en el LHC situado en Suiza, cerca de Ginebra, constituiría una prueba de la existencia de dimensiones extra, porque si la gravedad es mucho más fuerte que lo esperado a distancias de unos pocos micrómetros, el LHC puede ser capaz de retener materia y energía suficientes en una región del espacio lo suficientemente pequeña que el sistema no soporta su propia gravedad, colapsando sobre sí mismo, y por tanto se convierte en un agujero negro.

Pero antes de que nadie empiece a preocuparse de la desaparición de Ginebra en una singularidad que se trague el planeta, conviene recordar que se desintegraría antes siquiera de que su radio llegase al de un núcleo atómico.

“En este sentido, estos agujeros negros son completamente ‘orgánicos’, dice Landsberg. “Podrías ponerlos en una ensalada, y no te enterarías de que existen porque inmediatamente desparecen”.

Pero podrían mostrar su presencia en el LHC.

A esto se dedica un número de físicos teóricos, incluído Glenn Starkman de la Universidad de Western Case en Cleveland. Starkman dirige un equipo que desarrolló un programa informático llamado BlackMax, que muestra los productos que podrían surgir de la desintegración de un agujero negro.

Dentro del LHC, los protones colisionan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Los protones tienen cierta extensión espacial, dice Starkman, y están hechos principalmente de partículas subatómicas llamadas quarks y gluones. Es extremadamente improbable que cualquiera de estas partículas colisione con otra frontalmente.

Pero si dos quarks o dos gluones, o un quark y un gluón se acercan lo suficiente en sentidos opuestos, podría haber suficiente energía en una región del espacio lo suficientemente pequeña como para formarse un agujero negro – si, y sólo si, la gravedad es suficientemente fuerte como para ser la fuerza dominante. “Para que esto suceda”, dice Starkman, “tiene que haber más de tres dimensiones”.

El agujero negro se evaporaría casi instantáneamente, quizás en un montón de partículas subatómicas lanzadas en todas las direcciones, como explotaría un petardo.

O quizás los investigadores verían un evento en el que parte de la energía desaparece hacia otras dimensiones por el efecto de los gravitones – el invisible homólogo gravitacional del fotón.

Lo bueno, desde el punto de vista de los físicos teóricos, es que si el LHC produce agujeros negros, hará muchos, del orden de uno por segundo, o 30 millones en un año.

“Y 30 millones por año puede ser una postura muy optimista, pero quizás un millón…o incluso 10 000 no es imposible”, dice Savas Dimopoulos, de la Universidad de Stanford, la D intermedia de la hipótesis de dimensiones extra ADD.

“Incluso si tienes 10 000 agujeros negros, ése ya es un buen número con el que hacer estadística, y comenzar a probar en detalle tanto la existencia del agujero negro como de dimensiones extra,  en los distintos escenarios”.

Randall, como muchos otros, es escéptica. “Es una idea bonita”, dice. Pero junto con Patrick Meade, entonces en Harvard y ahora en el Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, sostiene que el escenario es altamente improbable. Su trabajo fue publicado en mayo de 2008 en la publicación “Journal of High Energy Physics“.

“Es virtualmente imposible que vayas a producir agujeros negros en el LHC porque la energía no es lo suficientemente alta”, dice Randall. “Podrías ver alguna evidencia de fenómenos gravitacionale en dimensiones extra en términos de la dispersión de unas partículas con respecto a otras…pero parece muy improbable que puedas tener realmente un agujero negro”.

Todavía hay muchas incertidumbres, y hasta que el LHC no funciona a la máxima energía, nadie lo sabrá realmente.

Dimopoulos, por comentar a uno, permanece optimista. Pero tiene sus preferencias. Además de dimensiones extra grandes, apuesta por otras dos teorías para solucionar el problema de la jerarquía, tecnicolor y supersimetría. Estas dos no se basan en dimensiones extra – y podrían aparecer en el LHC.

Sin embargo, “la naturaleza puede elegir una ruta completamente diferente, diferentes a las soluciones al problema de la jerarquía pensadas hasta ahora”, admite. “Y éste puede ser el escenario más excitante, aún por descubrir”.

*: En arxiv.org se pueden encontrar artículos científicos antes de que aparezcan publicados en las revistas científicas, una vez que han pasado el proceso de revisión por pares. Por otro lado, también se pueden encontrar artículos que no serán enviados a publicaciones científicas.


Autor: Diana Steele
Fecha Original: febrero de 2010
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