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FÍSICA 

La astrofísica en la bañera

En un experimento realizado en un tanque con agua, científicos reproducen fenómenos que pueden ocurrir en la vecindad de los agujeros negros

Vórtice producido por la rejilla en el área central del tanque, durante el experimento en el que se detectó la superradiancia

Imagem: Silke Weinfurtner/ Universidad De Nottinghan

Las olas que se propagan por la superficie del agua se vuelven un poco más altas al atravesar las cercanías de un remolino creado por la rejilla abierta de un tanque. El tamaño de las mismas se amplifica porque extraen un poco de la energía de rotación del remolino, en un efecto al que se lo conoce con el nombre de superradiancia. La existencia de este efecto fue confirmada por primera vez en el marco de un experimento realizado en 2016 por un grupo internacional de científicos encabezado por la física alemana Silke Weinfurtner, de la Universidad de Nottingham, en el Reino Unido. En su laboratorio, Weinfurtner y sus colaboradores, entre ellos el físico brasileño Maurício Richartz, reprodujeron este fenómeno empleando un tanque con paredes de vidrio y con agua mezclada con un colorante verde fluorescente. El ensayo fue filmado con una cámara que registra en 3D y permitió detectar el incremento de la altura de las olas causado por la superradiancia. El efecto es pequeño, pero llama la atención de los físicos pues simula lo que se imagina que ocurre con la luz alrededor de un agujero negro en rotación. Estos resultados aparecen descritos en un artículo publicado el 12 junio en la revista Nature Physics.

“La teoría de la superradiancia es muy conocida, pero nadie había observado este fenómeno experimentalmente”, dice Richartz, docente de la Universidad Federal del ABC. Richartz ayudó a planificar y realizar el experimento, y comenta que, en las condiciones en que se concretó, las olas en la superficie del agua pueden describirse mediante ecuaciones de movimiento casi idénticas a las de las ondas luminosas que se propagan cerca de un agujero negro. Como las ecuaciones son prácticamente las mismas, la confirmación de que la superradiancia ocurre en las olas que se forman en el agua constituye la primera evidencia concreta de este fenómeno que, aunque es difícil de detectar, existiría en las cercanías de los agujeros negros, tal como está previsto en la teoría. Hasta hace poco, estudios teóricos sugerían que la superradiancia por agujeros negros provocaría una ampliación de ondas electromagnéticas y gravitacionales demasiado pequeña como para que pudieran observarla los astrónomos. En un artículo publicado este año en la revista Physical Review D, el físico João Rosa, de la Universidad de Aveiro, en Portugal, sugiere que la superradiancia podría amplificarse en la vecindad de pares de agujeros negros y estrellas de neutrones. Señales de este fenómeno podrían entonces ser detectables con el radiotelescopio Square Kilometre Array (SKA), cuyas antenas estarán instaladas en parte en Sudáfrica y en parte en Australia, y con el Observatorio Interferométrico de Ondas Gravitacionales (Ligo), con sede en Estados Unidos.

Richartz conoció a Silke Weinfurtner en 2009, en Canadá. En ese entonces, era estudiante de doctorado y colaboró con Weinfurtner y con el físico canadiense Williamm Unruh, de la Universidad de Columbia Británica, en uno de los primeros experimentos que contemplaron el uso de olas en el agua para investigar la física de los agujeros negros. En ese ensayo, Weinfurtner, Unruh y sus colaboradores demostraron que las olas que fluían en el agua confinada en una canaleta exhibían propiedades similares a las de la llamada radiación Hawking, un efecto cuántico que hace que un agujero negro pierda energía paulatinamente a través de la emisión de partículas subatómicas.

La canaleta permitía investigar únicamente fenómenos que suceden en una sola dimensión, toda vez que su ancho y su profundidad eran despreciables con relación a su longitud, y Weinfurtner tuvo la idea de proyectar un aparato bidimensional para investigar otros fenómenos asociados a los agujeros negros, tal como es el caso de la superradiancia. El grupo proyectó entonces el tanque construido en el laboratorio en Nottingham. Con 3 metros (m) de longitud, 1,5 m de ancho y una profundidad despreciable, tiene el doble del tamaño de una bañera. Una pala motorizada produce ondulaciones de milímetros de altura que se propagan por la superficie del agua y son amplificadas por la superradiancia del remolino formado al retirarse el tapón de la rejilla.

Imagem: Silke Weinfurtner/ Universidad De Nottinghan Reconstitución gráfica de las olas en la superficie del agua amplificadas al atravesar el remolinoImagem: Silke Weinfurtner/ Universidad De Nottinghan

En el agua y en el espacio
Un agujero negro y la rejilla de una bañera tienen más semejanzas de lo que se pueda imaginar. El centro de un agujero negro está siempre oculto por una esfera de completa oscuridad: el horizonte de eventos, la zona a partir de la cual nada, ni siquiera la luz escapa de la intensa atracción gravitacional. De una manera análoga, existe una zona en el remolino que atrae hacia el centro de la rejilla las ondulaciones del agua que se acercan demasiado, y que funciona como un horizonte de eventos para las olas. Ya sea en una bañera o en el espacio, el horizonte de eventos es envuelto por una capa llamada ergosfera, que arrastra todo lo que llega hasta allí y lo hace girar en el mismo sentido de rotación del agujero negro o del torbellino en el agua.

Mientras que el horizonte de eventos captura las ondas que lo alcanzan, la ergosfera puede amplificar algunas de las ondas que la atraviesan. En 1971, el físico bielorruso Yakov Zel’dovich, quien había participado en el programa de la bomba atómica soviética, realizó cálculos iniciales que sugerían que un agujero negro en rotación podría amplificar las ondas electromagnéticas y gravitacionales arrastradas por su ergosfera. Sin embargo, esa amplificación, sería tan sutil que los instrumentos astrofísicos actuales aún no tendrían la precisión necesaria como para detectarla.

Para observar la superradiancia en las olas del agua, Weinfurtner y un equipo multidisciplinario de científicos, algunos expertos en óptica y otros en mecánica de fluidos, se valieron de una cámara 3D de alta resolución, desarrollada para el experimento en colaboración con la empresa alemana EnShape, para registrar y medir el aumento ínfimo de la altura de las olas en el agua. Las imágenes permitieron observar que sólo las olas superficiales con una frecuencia específica (3,7 oscilaciones por segundo) quedaron un 20% más altas al atravesar el remolino, un valor que coincide con lo previsto en la teoría.

Weinfurtner y su equipo trabajan ahora para aumentar la precisión con la que se mide la altura de las olas y la velocidad de la corriente cerca del centro del remolino, donde estaría el horizonte de eventos para las olas de agua. “La detección de la superradiancia no constituye una prueba experimental suficiente de la existencia de un horizonte de eventos para las olas”, explica la física. “Aparte de mejorar la precisión del aparato, precisamos mejorar nuestra comprensión teórica sobre lo que sucede en el remolino.”

Proyectos
1.
Superradiancia en sistemas disipadores (nº 15/14077-0); Modalidad Beca de Investigación en el Exterior; Investigador responsable Maurício Richartz (UFABC); Inversión R$ 30.029,80
2. Modelos análogos: Superradiancia y estabilidad (nº 13/15748-0); Modalidad Beca de Investigación en el Exterior; Investigador responsable Maurício Richartz (UFABC); Inversión R$ 19.515,98

Artículo científico
TORRES, T. et al. Observation of superradiance in a vortex flow. Nature Physics. 12 jun. 2017.