ASTRONOMÍA - OBJETOS ASTRONÓMICOS

AGUJEROS NEGROS

nave estelar de agujero negro es una idea teórica para permitir el viaje interestelar propulsando una nave estelar usando un agujero negro como fuente de energía. El concepto fue discutido por primera vez en la ciencia ficción, especialmente en el libro Regreso a Titán de Arthur C. Clarke, y en la obra de Charles Sheffield, en la que la energía extraída de un agujero negro de Kerr-Newman se describe como la potencia de los motores de cohetes en la historia "Matando Vector" (1978).¹​

En un análisis más detallado, una propuesta para crear un agujero negro artificial y usar un reflector parabólico para reflejar su radiación Hawking ha sido discutida en 2009 por Louis Crane y Shawn Westmoreland.²​ Su conclusión era que estaba al borde de la posibilidad, pero que los efectos de la gravedad cuántica que actualmente se desconocen harán que sea más fácil o que sea imposible.³​ Conceptos similares también fueron esbozados por Bolonkin.

Ventajas[editar]

Aunque más allá de las capacidades tecnológicas actuales, una nave estelar de agujero negro ofrece algunas ventajas en comparación con otros métodos posibles. Por ejemplo, en la fusión o fisión nuclear, sólo una pequeña proporción de la masa se convierte en energía, por lo que se necesitarían enormes cantidades de material. Así, una nave nuclear acabaría con todo el material fisible y fusil de la Tierra. Una posibilidad es la antimateria, pero la fabricación de antimateria es enormemente ineficiente en energía y la antimateria es difícil de contener. El documento de Crane y Westmoreland afirma:

"Por otro lado, el proceso de generación de un AN desde el colapso es naturalmente eficiente, por lo que requeriría millones de veces menos energía que una cantidad comparable de antimateria o por lo menos decenas de miles de veces dado un generador de antimateria futuro optimista. En cuanto al confinamiento, un AN se limita. Tendríamos que evitar colisionar con él o perderlo, pero no explotará. La materia que golpea a un AN caería en ella y se añadiría a su masa. Así que hacer un AN es extremadamente difícil, pero no sería tan peligroso o difícil de manejar como una cantidad masiva de antimateria. Aunque el proceso de generar un AN es extremadamente masivo, no requiere ninguna nueva Física. Además, si una AN, una vez creada, absorbe nueva materia, la irradiará, actuando así como una nueva fuente de energía; Mientras que la antimateria sólo puede actuar como un mecanismo de almacenamiento para la energía que ha sido recogida en otros lugares y convertida a una eficiencia extremadamente baja. (Ninguna de las otras ideas sugeridas para el vuelo interestelar parece viable tampoco.La propuesta de un ramjet interestelar resulta producir más arrastre que empuje, mientras que la idea de impulsar una nave con un rayo láser se encuentra con el problema de que el haz se extiende demasiado rápido"

Criterios[editar]

Según los autores, un agujero negro para ser utilizado en viajes espaciales debe cumplir cinco criterios:⁵​

1. Tiene una vida útil lo bastante larga como para ser de utilidad,
2. Es lo suficientemente potente como para acelerarse hasta una fracción razonable de la velocidad de la luz en una cantidad razonable de tiempo,
3. Es lo suficientemente pequeño para que podamos acceder a la energía para hacerlo,
4. Es lo suficientemente grande para que podamos enfocar la energía para hacerlo,
5. Tiene una masa comparable a una nave estelar.

Los agujeros negros parecen tener un punto justo en términos de tamaño, potencia y duración que es casi ideal. Un agujero negro de 606.000 toneladas métricas (6,06 × 108 kg), o más o menos la masa del gigante Seawise(el barco más largo que se haya construido jamás) tendría un radio de Schwarzschild de 0,9 attómetros (0,9 x × 10^–18 m, o 9 × 10^–19 m), una potencia de salida de 160 petawatts (160 × 10¹⁵ W, o 1,6 × 10¹⁷ W), y una vida útil de 3,5 años. Con tal potencia de salida, el agujero negro podría acelerar al 10% la velocidad de la luz en 20 días, suponiendo una conversión del 100% de energía en energía cinética. Suponiendo que sólo 10% de conversión en energía cinética sólo tardaría 10 veces más de acelerar a 0,1 c (10% de la velocidad de la luz).²​

Conseguir que el agujero negro actúe como fuente de energía y motor también requiere una manera de convertir la radiación de Hawking en energía y empuje. Un método potencial consiste en colocar el agujero en el punto focal de un reflector parabólico unido a la nave, creando empuje hacia adelante. Un método ligeramente más fácil pero menos eficiente implicaría simplemente absorber toda la radiación gamma dirigiéndose hacia la parte delantera de la nave para empujarla hacia adelante y dejar que el resto dispare hacia atrás.⁶​⁷​ Sin embargo, esto generaría una enorme cantidad de calor a medida que la radiación fuera absorbida por el plato.

Representación artística de un agujero negro

La paradoja de la pérdida de información en agujeros negros resulta de la combinación de la mecánica cuántica y la relatividad general. Sugiere que la información física puede desaparecer permanentemente en un agujero negro, permitiendo a numerosos estados físicos convertirse en el mismo estado. Esto es controvertido porque viola la ley comúnmente asumida de que en principio, información completa acerca de un sistema físico en un punto en un tiempo debe determinar su estado en cualquier otro tiempo. Un postulado fundamental de la mecánica cuántica es que la información completa sobre un sistema está codificada en su misma función de onda aún cuando su función de onda colapsa. La evolución de la función de onda está determinada por un operador unitario, y eso implica que la información se conserva en sentido cuántico. Esto es una estricta forma de determinismo.

Principios[editar]

Hay dos principios principales en "juego":

• Determinismo cuántico significa que para una determinada función de onda, sus cambios futuros son únicamente determinados por la evolución del operador.

• Reversibilidad se refiere al hecho de que la evolución del operador tiene una inversa, significando que funciones de onda pasadas son similarmente, únicas.

La combinación de ambas significa que la información debe ser siempre preservada.

Radiación de Hawking[editar]

El Diagrama de Penrose-Carter de un agujero negro que se forma y desaparece por completo. La información que cae hacia la singularidad debe tocarla. El tiempo es mostrado en el eje vertical de abajo arriba, el espacio se muestra en el eje horizontal de izquierda (radio cero) a derecha (creciente).

En 1975, Stephen Hawking y Jacob Bekenstein mostraron que los agujeros negros deberían emitir, lentamente energía, lo que supone un problema. Según el Teorema de no pelo, uno debería esperar que la Radiación de Hawking debería ser completamente independiente del material que entrase en el agujero negro. Sin embargo, si el material que entra en el agujero fuera materia pura, en estado cuántico, la transformación de ese estado en la mezcla de estados de la radiación de Hawking destruiría información sobre el estado cuántico original. Esto viola el Teorema de Liouville (mecánica hamiltoniana) y presenta una paradoja física.

Más precisamente, si hay algún entrelazamiento cuántico en estado cuántico, y una parte del sistema de entrelazamiento es arrojado dentro del agujero negro mientras se mantiene la otra parte fuera, el resultado es un estado mixto en el que la traza parcial es arrojada al interior del agujero negro. Pero todo lo que cae dentro de un agujero negro debe alcanzar la singularidad en un tiempo finito, la parte que se remonta más de parcialmente podría desaparecer completamente del sistema físico.

Hawking permaneció convencido de que las ecuaciones de termodinámica de agujeros negros en conjunto con el teorema de no pelo, conducen a la conclusión de que la información cuántica debe ser destruida. Esto asombró a numerosos físicos, como John Preskill, quien en 1997 apostó a Hawking y a Kip Thorne que la información no se pierde en los agujeros negros. La idea de Hawking abrió el debate en la comunidad científica, donde Leonard Susskind y Gerard 't Hooft "declararon la guerra" a la solución de Hawking, el propio Susskind publicó un libro acerca del debate en 2008 (The Black Hole War: My battle with Stephen Hawking to make the world safe for quantum mechanics, ISBN 978-0-316-01640-7). El libro detalla que la guerra es puramente científica, y que a nivel personal, ambos personajes permanecen siendo amigos.¹​

La solución al problema que concluye la batalla es el principio holográfico, que fue propuesto por primera vez por 't Hooft pero Susskind lo dotó de una interpretación más precisa en relación con la teoría de cuerdas.²​

Hay varias ideas acerca de cómo resolver la paradoja. Desde la propuesta de 1997, la creencia predominante en los físicos es que la información se conserva y que la radiación de Hawking no es únicamente térmica si no que recibe correcciones cuánticas. Otras posibilidades incluyen que la información se mantiene en una constante de Planck remanente en la radiación de Hawking o en una modificación de las leyes de la mecánica cuántica para permitir una evolución del tiempo no unitaria.

En julio de 2004, Stephen Hawking publicó un estudio presentando la teoría de que las perturbaciones cuánticas del horizonte de sucesos puede permitir a la información escapar del agujero negro, lo cual resuelve la paradoja de la pérdida de información.³​ Su argumento asume que la unidad de la Correspondencia AdS/CFT que implica que un Agujero negro AdS es así mismo AdS/CFT correspondiente dual a la Teoría conforme de campos. Cuando anunció su estudio, Hawking aceptó que había perdido la apuesta pagándole a Preskill con una enciclopedia de béisbol «Cuya información puede ser obtenida a voluntad». Thorne, sin embargo, no se mostró convencido de las pruebas de Hawking y declinó contribuir al premio.

De acuerdo a Roger Penrose, la pérdida de unidad en sistemas cuánticos no es un problema. Las medidas cuánticas son por sí mismas no unitarias. Penrose proclama que los sistemas cuánticos no evolucionan de forma unitaria desde que la gravitación entra en juego, precisamente en agujeros negros. La Cosmología cíclica conforme de Penrose critica la dependencia de la condición de que la información es de facto perdida en agujeros negros. Este nuevo modelo cosmológico precisa ser demostrado experimentalmente mediante un análisis detallado de la radiación cósmica de fondo, Si es cierta, deberá mostrar patrones circulares con significativas diferencias de temperatura, más bajas o más altas. En noviembre de 2010, Penrose y V. G. Gurzadyan anunciaron que habían encontrado evidencias de esos patrones circulares, en los datos del WMAPcorroborados por los datos del experimento BOOMERanG.⁴​ La significancia de los sucesos fue subsecuentemente debatido por otros físicos.

partícula de Planck es una partícula subatómica hipotética que se define como un diminuto agujero negrocuya longitud de onda Compton es el mismo que su radio de Schwarzschild. Su masa es entonces (por definición) igual a la masa de Planck, y su longitud de onda Compton y el radio de Schwarzschild son iguales (también por definición) a la longitud de Planck.

En comparación, por ejemplo, con un protón, la partícula de Planck es extremadamente pequeña (su radio es igual a la longitud de Planck, que es de 10 elevado a -20 el radio del protón) y pesada (la masa de Planck es 13 veces la masa quintillón de el protón).

Se cree que esta partícula debe desaparecer debido a la radiación de Hawking, de modo que, en un principio, tiene un tiempo de vida de 1,38.10-44 segundos o 0,26 veces el tiempo de Planck, más pequeño de lo que podría medirse teóricamente. Sin embargo, la existencia de tal radiación es objeto de debate.

Los estudios de tales partículas tienen implicaciones para la construcción de una teoría cuántica de la gravedad, así como los intentos de construir modelos de cosmología.