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FÍSICA

¿Vacuas tempestades?

La energía del espacio vacío puede destruir estrellas e incluso revelar la naturaleza de la materia oscura

El término “vacío” no es sinónimo de nada, al menos para los físicos. Ellos sostienen que incluso el espacio aparentemente vacío también alberga alguna forma de energía que fluctúa constantemente, tal como las pequeñas olas que rasgan la superficie de un lago cuando sopla el viento. Si bien la energía del vacío y sus oscilaciones generalmente son demasiado sutiles como para poder percibirse a no ser en escalas microscópicas, un equipo de físicos teóricos de São Paulo cree que se las puede amplificar hasta que alcancen una escala astronómica como para destruir estrellas completamente. Eso ocurriría como consecuencia del efecto descubierto hace cuatro años por el físico Daniel Vanzella y su entonces doctorando William Lima, quienes actualmente realizan una serie de cálculos complejos para intentar determinar con exactitud cómo es que esa energía del vacío puede afectar el destino de las estrellas más densas del Universo, las estrellas de neutrones.

En 2010, Vanzella, Lima y el físico George Matsas notaron que, en determinadas condiciones, la enorme fuerza gravitatoria de las estrellas de neutrones sería capaz de agitar las fluctuaciones de energía del vacío. Y arribaron a la conclusión de que esa especie de tormenta de energía no duraría más que un segundo, pero su violencia sería suficiente como para destruir a la estrella que la generó. Los cálculos más recientes sugieren, no obstante, que si el efecto al que llamaron despertar del vacío realmente existe, sus consecuencias para las estrellas de neutrones podrían ser más variables de lo que los físicos imaginaban. Podría suceder que las estrellas realmente estallaran, quedando en su lugar un agujero negro o incluso, nada. Pero también podría ocurrir que sobrevivan, pese a sufrir una drástica disminución de su masa y su energía. En el artículo más reciente, que fue publicado en la revista Physical Review D, los científicos aclaran qué análisis y pruebas necesitan aún llevarse a cabo para determinar las consecuencias finales del despertar del vacío. “Queremos conocer todos los finales posibles para esas estrellas”, afirma Vanzella, investigador del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo, del campus de São Carlos (IFSC-USP).

Puede parecer una mera curiosidad teórica, pero la comprobación de la existencia y la intensidad del despertar del vacío ayudará a comprender mejor la naturaleza de la materia oscura, una forma de materia invisible que atraviesa todo el espacio y solamente puede percibirse por el efecto de su fuerza gravitatoria sobre el desplazamiento de las galaxias. Nadie sabe de qué está constituida, tan sólo se cree que estaría compuesta por partículas subatómicas que aún no han sido descubiertas. Matsas y sus colegas ya saben que el despertar del vacío sólo puede ocurrir si al menos una parte de la materia oscura presenta algunas propiedades especiales. “Dependiendo de las propiedades de la materia oscura, las estrellas de neutrones con un determinado rango de masa y de radio no deberían existir”, explica Matsas, investigador del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).

Partículas y ondas
Los físicos incluso aceptan que la expresión “energía del vacío” suena rara. Pero su existencia ya se comprobó directa e indirectamente durante el último siglo. Los nanotecnólogos, por ejemplo, deben tener en cuenta el denominado efecto Casimir, una fuerza que puede atraer o repeler las piezas metálicas que ellos manipulan en ambientes en los cuales se ha extraído el aire. Creen que esas fuerzas surgen por diferencias en la energía del vacío en el espacio existente entre las piezas y alrededor de las mismas.

Imagem: Infografía: Ana Paula Campos / Ilustración: Fabio OtuboLa teoría que explica el origen de esa energía es la misma que describe lo que sucede en los experimentos en los aceleradores de partículas, donde las partículas subatómicas son lanzadas unas contra otras. En el LHC, el mayor acelerador de partículas que se haya construido, por ejemplo, dos haces de protones que viajan a una velocidad cercana a la de la luz colisionan entre sí. Luego del choque, los protones desaparecen y, en su lugar surgen nuevas partículas, aparentemente de la nada. Eso no ocurre sólo porque los protones se dividen en partículas subatómicas elementales, sino también porque se aniquilan partículas existentes y, a partir de su energía, se originan nuevas partículas. La destrucción y la generación de partículas son posibles porque, según la teoría especial de la relatividad formulada por Albert Einstein en 1905, la masa de las partículas puede transformarse en energía y viceversa.

Sin embargo, la relatividad no lo explica por completo. En el transcurso del siglo pasado también quedó claro que las partículas elementales se encuentran sujetas a las leyes de la mecánica cuántica: no se comportan como puntos sólidos bien definidos. Son más bien objetos híbridos que a veces se comportan como puntos y otras veces se propagan por el espacio como si fueran ondas. La ley principal que rige a esas partículas-ondas es el principio de incertidumbre, según el cual, cuanta mayor certeza se tiene de la posición de la partícula, menos se sabe sobre su velocidad, y lo contrario también es cierto. “Eso es lo que convierte a la mecánica cuántica en algo tan extraordinario”, dice Matsas. “Las partículas ya no pueden explicarse de una manera tan sencilla”.

“Por medio de la relatividad especial y la mecánica cuántica, hoy podemos entender que las partículas elementales surgen de entidades más elementales todavía, los campos cuánticos”, explica el físico. Un modo de visualizar lo que son esos campos es comparándolos con las ondulaciones en una laguna. Del mismo modo que cada punto en la superficie de la laguna puede oscilar hacía arriba y hacia abajo, cada punto del Universo se encuentra asociado a un campo cuántico cuya energía fluctúa permanentemente. Con base en esa forma de comprensión del Cosmos, las partículas elementales serían, en realidad, un tipo especial de ondulación de esos campos, vibraciones energéticas que los detectores de los físicos identifican como partículas. “Si les sirve de consuelo”, dice Matsas, “a mí también me resulta difícil visualizar esos campos”.

Matsas también comenta que el principio de incertidumbre impide conocer, al mismo tiempo y con infinita precisión, las propiedades del campo en cada punto del Universo y cuán velozmente cambian esas propiedades. Una de las consecuencias de esa incertidumbre cuántica es que, incluso una porción del espacio vacío de partículas posee una energía que fluctúa en un valor cercano a cero. Existen varios tipos de campos cuánticos ocupando el Universo y cada una de las partículas elementales conocidas ‒tales como los electrones, los quarks, los fotones y los neutrinos‒ surgen de un campo específico. El modo en que una partícula influye sobre otra depende de cómo están relacionados los campos que las originaron.

En un intento por hallar una explicación para la materia oscura, varias hipótesis asumen la existencia de campos cuánticos libres, así denominados porque no estarían conectados con otros campos. Estos campos libres originarían partículas elementales que prácticamente no interactúan con las demás. Una consecuencia de tal propiedad es que las partículas generadas por los campos libres podrían estar aquí y ahora atravesando la Tierra o incluso nuestros cuerpos, sin que se las pueda detectar directamente. Como los campos libres sólo se conectarían con el resto del Universo a través la fuerza gravitatoria, las estrellas de neutrones constituirían un laboratorio de prueba natural de esas ideas. Sucede que éstas son los objetos más densos conocidos, con excepción de los agujeros negros. “Al intentar observar el efecto del despertar del vacío en esas estrellas podríamos verificar si los campos libres existen o no”, dice Matsas.

Espacios curvos
La fuerza de gravedad es la única interacción fundamental que los físicos no logran explicar por medio de los campos cuánticos. “Puede describírsela mejor como uno de los resultados de la deformación de la geometría del espacio y del paso del tiempo en torno a una porción de materia o de energía, tal como ocurre alrededor de una estrella”, explica Vanzella, del IFSC-USP. Cuanto más concentrada es la energía de una estrella, por ejemplo, más intensa será la deformación espacio-temporal que la misma provoca. En un caso extremo, tal deformación podría provocar el colapso de la propia estrella, dando origen a una región de espacio vacío altamente distorsionada en su lugar, esto es, los famosos agujeros negros.

Matsas y Vanzella son expertos en calcular cómo los campos cuánticos que originan las partículas elementales resultan afectados por las deformaciones espacio-temporales de una estrella o de un agujero negro. En sus estudios, aplican la misma combinación de relatividad general y teoría cuántica de campos que utilizó el físico Stephen Hawking para descubrir, en 1974, que los agujeros negros emiten partículas elementales.

En 2010, Vanzella y su entonces doctorando William Lima, quien actualmente trabaja como posdoctor en el IFT, firmaron dos artículos en la revista Physical Review Letters, el segundo con la participación de Matsas, en los cuales demostraban de qué manera la curvatura del espacio y del tiempo podría amplificar, en ciertas circunstancias, las fluctuaciones de la energía de vacío de los campos cuánticos.

Una de esas circunstancias podría suceder durante la contracción de una estrella de neutrones. Con una masa comparable a la del Sol, pero conformadas por neutrones comprimidos en una esfera de más o menos 20 kilómetros de diámetro (la distancia que separa el centro de São Paulo del barrio de Itaquera), las estrellas de neutrones nacen luego del colapso de una estrella mayor en un evento explosivo denominado supernova. Cuando una estrella con una masa unas 10 veces superior a la del Sol agota su combustible nuclear, sus capas externas explotan, mientras que su núcleo experimenta una implosión. El resultado de este evento es el surgimiento de un agujero negro o de una estrella de neutrones en el espacio central. Como son muy pequeñas, las estrellas de neutrones resultan difíciles de observar, y frecuentemente se las estudia a través de sus emisiones de ondas de radio y de rayos X.

Lima, Vanzella y Matsas descubrieron que, si una estrella de neutrones se comprime hasta cierto diámetro, su gravedad comienza a causar perturbaciones en el espacio que alimentarían un crecimiento exponencial de las fluctuaciones de energía del vacío de un campo cuántico. Eso significa que, aunque la energía total del campo siga siendo casi siempre igual a cero, algunos puntos del espacio concentrarían momentáneamente cantidades enormes de energía positiva, mientras que otros concentrarían análogas cantidades de energía negativa.

Tal situación resulta casi inimaginable. Sería como si las pequeñas ondulaciones sobre un lago, de repente comenzaran a subir y bajar frenéticamente a alturas y profundidades cada vez mayores. “En un lapso de milisegundos, la densidad de energía de esas fluctuaciones sería lo suficientemente grande como para curvar el espacio-tiempo más que la propia estrella”, comenta Vanzella. “Pero ese crecimiento no podría durar para siempre y algo debería ocurrir con la estrella y el campo para restablecer la curvatura del espacio-tiempo”.

Después de la tormenta
Para saber con exactitud qué podría sucederles a las estrellas y a los campos cuánticos, los científicos deben trabajar con las ecuaciones de la relatividad general, combinadas con las de la teoría cuántica de campos, que directamente resultan casi imposibles de resolver. Los teóricos afrontan el desafío poco a poco y por partes, valiéndose de los principios generales de la física y de cálculos aproximados que, gradualmente, van revelando detalles del problema.

En 2012, el físico André Landulfo, quien actualmente trabaja en la Universidad Federal del ABC, se unió al equipo para demostrar que, sin importar lo que suceda con la estrella de neutrones al término de aquel proceso, buena parte de su energía se transferirá hacia el campo cuántico, generando nuevas partículas. “La fluctuación que creció mucho durante la fase inestable hará que el campo no retorne a una configuración de vacío cuando el sistema vuelva a estabilizarse”, explica Vanzella. “Finalmente, el campo producirá un montón de partículas”.

Esas nuevas partículas elementales serían invisibles para los telescopios, pero le extraerían una cantidad inmensa de energía a la estrella de neutrones, o a lo que quede de ella. Y esta pérdida de energía podría tener consecuencias observables.

“Es una posibilidad interesante”, comenta el físico italiano Paolo Pani, de la Universidad Técnica de Lisboa, en Portugal, quien trabaja en la relación entre teorías físicas alternativas y observaciones astrofísicas. A Pani le gustaría que algún investigador incluyera el efecto del despertar del vacío en las simulaciones de explosiones de supernovas. “Esas simulaciones serían importantes para entender si el efecto puede explicar las emisiones de rayos gama”, dice.

Con todo, Matsas y Vanzella subrayan que, incluso si no se realizan simulaciones astrofísicas sofisticadas, los resultados de sus cálculos ya podrían compararse con las observaciones. “Estamos en condiciones de descartar la existencia de ciertos campos libres que aún son tenidos en cuenta a nivel teórico”, explica Vanzella. “Si podemos observar, por ejemplo, estrellas con una determinada relación masa-radio que deberían destruirse con el despertar del vacío de un cierto campo, es porque ese campo no existe”.

El trabajo más reciente del equipo, llevado adelante por la física Raíssa Mendes, quien está concluyendo su tesis doctoral bajo la supervisión de Matsas, también se publicó en la Physical Review D. En el mismo, el grupo estableció la posibilidad de aprovechar los resultados de estudios sobre la inestabilidad de estrellas y los agujeros negros realizados por otros investigadores a partir de los años 1970 para descubrir lo que provocaría el despertar del vacío cuántico en las estrellas de neutrones.

A partir de esos cálculos realizados por otros investigadores, el equipo pudo determinar que las estrellas de neutrones pueden, en algunos casos, sobrevivir al despertar del vacío. Según plantea Vanzella, ese efecto sólo ocurre cuando se adoptan ciertos valores para uno de los términos de la ecuación que establece de qué modo el campo libre interactúa con la curvatura del espacio-tiempo. “Tal efecto aparece para ciertos intervalos de valores de dicho término, algunos positivos y otros negativos”, dice el físico. “Los cálculos realizados por otros investigadores sugieren que, para los valores negativos, la creación de partículas sería suficiente como para interrumpir el crecimiento de la energía del vacío y entonces la estrella sobrevive”.

Por estos días, Vanzella y el físico Raphael Santarelli, quien realiza un posdoctorado con él en São Carlos, están analizando el caso, para cuando ese término adopta valores positivos. Los resultados preliminares sugieren que la estrella sería destruida. “Lo que ya sabemos es que la creación de partículas no será suficiente como para restablecer el sistema”, relata Vanzella. “Podría suceder alguna otra cosa, tal vez se origine un agujero negro”. En 2010, Matsas apostó una caja de botellas de vino por la hipótesis que sostenía que una estrella de neutrones siempre sería destruida por el despertar del vacío. “Ahora”, dice, “parece ser que ganaría la mitad de la caja y perdería la otra mitad”.

Proyecto
Física en espacios-tiempos curvos (nº 2007/ 55449-1); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable George Emanuel Avraam Matsas (IFT-Unesp); Inversión R$ 181.501,15 (FAPESP).

Artículos científicos
MENDES, R.F.P. et al. Quantum versus classical instability of scalar fields in curved backgrounds. Physical Review D. v. 89, p. 047503. 24 feb. 2014.
LANDULFO, A.G.S. et al. Particle creation due to tachyonic instability in relativistic stars. Physical Review D. v. 86, p. 104025. 2012.