{"id":153024,"date":"2014-06-16T03:03:21","date_gmt":"2014-06-16T09:03:21","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=153024"},"modified":"2015-07-03T16:40:29","modified_gmt":"2015-07-03T19:40:29","slug":"vacuas-tempestades","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/vacuas-tempestades\/","title":{"rendered":"\u00bfVacuas tempestades?"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>El t\u00e9rmino \u201cvac\u00edo\u201d no es sin\u00f3nimo de nada, al menos para los f\u00edsicos. Ellos sostienen que incluso el espacio aparentemente vac\u00edo tambi\u00e9n alberga alguna forma de energ\u00eda que fluct\u00faa constantemente, tal como las peque\u00f1as olas que rasgan la superficie de un lago cuando sopla el viento. Si bien la energ\u00eda del vac\u00edo y sus oscilaciones generalmente son demasiado sutiles como para poder percibirse a no ser en escalas microsc\u00f3picas, un equipo de f\u00edsicos te\u00f3ricos de S\u00e3o Paulo cree que se las puede amplificar hasta que alcancen una escala astron\u00f3mica como para destruir estrellas completamente. Eso ocurrir\u00eda como consecuencia del efecto descubierto hace cuatro a\u00f1os por el f\u00edsico Daniel Vanzella y su entonces doctorando William Lima, quienes actualmente realizan una serie de c\u00e1lculos complejos para intentar determinar con exactitud c\u00f3mo es que esa energ\u00eda del vac\u00edo puede afectar el destino de las estrellas m\u00e1s densas del Universo, las estrellas de neutrones.<\/p>\n

En 2010, Vanzella, Lima y el f\u00edsico George Matsas notaron que, en determinadas condiciones, la enorme fuerza gravitatoria de las estrellas de neutrones ser\u00eda capaz de agitar las fluctuaciones de energ\u00eda del vac\u00edo. Y arribaron a la conclusi\u00f3n de que esa especie de tormenta de energ\u00eda no durar\u00eda m\u00e1s que un segundo, pero su violencia ser\u00eda suficiente como para destruir a la estrella que la gener\u00f3. Los c\u00e1lculos m\u00e1s recientes sugieren, no obstante, que si el efecto al que llamaron despertar del vac\u00edo realmente existe, sus consecuencias para las estrellas de neutrones podr\u00edan ser m\u00e1s variables de lo que los f\u00edsicos imaginaban. Podr\u00eda suceder que las estrellas realmente estallaran, quedando en su lugar un agujero negro o incluso, nada. Pero tambi\u00e9n podr\u00eda ocurrir que sobrevivan, pese a sufrir una dr\u00e1stica disminuci\u00f3n de su masa y su energ\u00eda. En el art\u00edculo m\u00e1s reciente, que fue publicado en la revista Physical Review D<\/i>, los cient\u00edficos aclaran qu\u00e9 an\u00e1lisis y pruebas necesitan a\u00fan llevarse a cabo para determinar las consecuencias finales del despertar del vac\u00edo. \u201cQueremos conocer todos los finales posibles para esas estrellas\u201d, afirma Vanzella, investigador del Instituto de F\u00edsica de la Universidad de S\u00e3o Paulo, del campus de S\u00e3o Carlos (IFSC-USP).<\/p>\n

Puede parecer una mera curiosidad te\u00f3rica, pero la comprobaci\u00f3n de la existencia y la intensidad del despertar del vac\u00edo ayudar\u00e1 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 qu\u00e9 est\u00e1 constituida, tan s\u00f3lo se cree que estar\u00eda compuesta por part\u00edculas subat\u00f3micas que a\u00fan no han sido descubiertas. Matsas y sus colegas ya saben que el despertar del vac\u00edo s\u00f3lo puede ocurrir si al menos una parte de la materia oscura presenta algunas propiedades especiales. \u201cDependiendo de las propiedades de la materia oscura, las estrellas de neutrones con un determinado rango de masa y de radio no deber\u00edan existir\u201d, explica Matsas, investigador del Instituto de F\u00edsica Te\u00f3rica de la Universidade Estadual Paulista (IFT-Unesp).<\/p>\n

Part\u00edculas y ondas
\n<\/b>Los f\u00edsicos incluso aceptan que la expresi\u00f3n \u201cenerg\u00eda del vac\u00edo\u201d suena rara. Pero su existencia ya se comprob\u00f3 directa e indirectamente durante el \u00faltimo siglo. Los nanotecn\u00f3logos, por ejemplo, deben tener en cuenta el denominado efecto Casimir, una fuerza que puede atraer o repeler las piezas met\u00e1licas que ellos manipulan en ambientes en los cuales se ha extra\u00eddo el aire. Creen que esas fuerzas surgen por diferencias en la energ\u00eda del vac\u00edo en el espacio existente entre las piezas y alrededor de las mismas.<\/p>\n

\"\"Infograf\u00eda: Ana Paula Campos \/ Ilustraci\u00f3n:\u2002Fabio Otubo<\/span><\/a>La teor\u00eda que explica el origen de esa energ\u00eda es la misma que describe lo que sucede en los experimentos en los aceleradores de part\u00edculas, donde las part\u00edculas subat\u00f3micas son lanzadas unas contra otras. En el LHC, el mayor acelerador de part\u00edculas que se haya construido, por ejemplo, dos haces de protones que viajan a una velocidad cercana a la de la luz colisionan entre s\u00ed. Luego del choque, los protones desaparecen y, en su lugar surgen nuevas part\u00edculas, aparentemente de la nada. Eso no ocurre s\u00f3lo porque los protones se dividen en part\u00edculas subat\u00f3micas elementales, sino tambi\u00e9n porque se aniquilan part\u00edculas existentes y, a partir de su energ\u00eda, se originan nuevas part\u00edculas. La destrucci\u00f3n y la generaci\u00f3n de part\u00edculas son posibles porque, seg\u00fan la teor\u00eda especial de la relatividad formulada por Albert Einstein en 1905, la masa de las part\u00edculas puede transformarse en energ\u00eda y viceversa.<\/p>\n

Sin embargo, la relatividad no lo explica por completo. En el transcurso del siglo pasado tambi\u00e9n qued\u00f3 claro que las part\u00edculas elementales se encuentran sujetas a las leyes de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica: no se comportan como puntos s\u00f3lidos bien definidos. Son m\u00e1s bien objetos h\u00edbridos 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 part\u00edculas-ondas es el principio de incertidumbre, seg\u00fan el cual, cuanta mayor certeza se tiene de la posici\u00f3n de la part\u00edcula, menos se sabe sobre su velocidad, y lo contrario tambi\u00e9n es cierto. \u201cEso es lo que convierte a la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica en algo tan extraordinario\u201d, dice Matsas. \u201cLas part\u00edculas ya no pueden explicarse de una manera tan sencilla\u201d.<\/p>\n

\u201cPor medio de la relatividad especial y la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, hoy podemos entender que las part\u00edculas elementales surgen de entidades m\u00e1s elementales todav\u00eda, los campos cu\u00e1nticos\u201d, explica el f\u00edsico. Un modo de visualizar lo que son esos campos es compar\u00e1ndolos con las ondulaciones en una laguna. Del mismo modo que cada punto en la superficie de la laguna puede oscilar hac\u00eda arriba y hacia abajo, cada punto del Universo se encuentra asociado a un campo cu\u00e1ntico cuya energ\u00eda fluct\u00faa permanentemente. Con base en esa forma de comprensi\u00f3n del Cosmos, las part\u00edculas elementales ser\u00edan, en realidad, un tipo especial de ondulaci\u00f3n de esos campos, vibraciones energ\u00e9ticas que los detectores de los f\u00edsicos identifican como part\u00edculas. \u201cSi les sirve de consuelo\u201d, dice Matsas, \u201ca m\u00ed tambi\u00e9n me resulta dif\u00edcil visualizar esos campos\u201d.<\/p>\n

Matsas tambi\u00e9n comenta que el principio de incertidumbre impide conocer, al mismo tiempo y con infinita precisi\u00f3n, las propiedades del campo en cada punto del Universo y cu\u00e1n velozmente cambian esas propiedades. Una de las consecuencias de esa incertidumbre cu\u00e1ntica es que, incluso una porci\u00f3n del espacio vac\u00edo de part\u00edculas posee una energ\u00eda que fluct\u00faa en un valor cercano a cero. Existen varios tipos de campos cu\u00e1nticos ocupando el Universo y cada una de las part\u00edculas elementales conocidas \u2012tales como los electrones, los quarks, los fotones y los neutrinos\u2012 surgen de un campo espec\u00edfico. El modo en que una part\u00edcula influye sobre otra depende de c\u00f3mo est\u00e1n relacionados los campos que las originaron.<\/p>\n

En un intento por hallar una explicaci\u00f3n para la materia oscura, varias hip\u00f3tesis asumen la existencia de campos cu\u00e1nticos libres, as\u00ed denominados porque no estar\u00edan conectados con otros campos. Estos campos libres originar\u00edan part\u00edculas elementales que pr\u00e1cticamente no interact\u00faan con las dem\u00e1s. Una consecuencia de tal propiedad es que las part\u00edculas generadas por los campos libres podr\u00edan estar aqu\u00ed y ahora atravesando la Tierra o incluso nuestros cuerpos, sin que se las pueda detectar directamente. Como los campos libres s\u00f3lo se conectar\u00edan con el resto del Universo a trav\u00e9s la fuerza gravitatoria, las estrellas de neutrones constituir\u00edan un laboratorio de prueba natural de esas ideas. Sucede que \u00e9stas son los objetos m\u00e1s densos conocidos, con excepci\u00f3n de los agujeros negros. \u201cAl intentar observar el efecto del despertar del vac\u00edo en esas estrellas podr\u00edamos verificar si los campos libres existen o no\u201d, dice Matsas.<\/p>\n

Espacios curvos
\n<\/b>La fuerza de gravedad es la \u00fanica interacci\u00f3n fundamental que los f\u00edsicos no logran explicar por medio de los campos cu\u00e1nticos. \u201cPuede describ\u00edrsela mejor como uno de los resultados de la deformaci\u00f3n de la geometr\u00eda del espacio y del paso del tiempo en torno a una porci\u00f3n de materia o de energ\u00eda, tal como ocurre alrededor de una estrella\u201d, explica Vanzella, del IFSC-USP. Cuanto m\u00e1s concentrada es la energ\u00eda de una estrella, por ejemplo, m\u00e1s intensa ser\u00e1 la deformaci\u00f3n espacio-temporal que la misma provoca. En un caso extremo, tal deformaci\u00f3n podr\u00eda provocar el colapso de la propia estrella, dando origen a una regi\u00f3n de espacio vac\u00edo altamente distorsionada en su lugar, esto es, los famosos agujeros negros.<\/p>\n

\"\"<\/a>Matsas y Vanzella son expertos en calcular c\u00f3mo los campos cu\u00e1nticos que originan las part\u00edculas elementales resultan afectados por las deformaciones espacio-temporales de una estrella o de un agujero negro. En sus estudios, aplican la misma combinaci\u00f3n de relatividad general y teor\u00eda cu\u00e1ntica de campos que utiliz\u00f3 el f\u00edsico Stephen Hawking para descubrir, en 1974, que los agujeros negros emiten part\u00edculas elementales.<\/p>\n

En 2010, Vanzella y su entonces doctorando William Lima, quien actualmente trabaja como posdoctor en el IFT, firmaron dos art\u00edculos en la revista Physical Review Letters<\/i>, el segundo con la participaci\u00f3n de Matsas, en los cuales demostraban de qu\u00e9 manera la curvatura del espacio y del tiempo podr\u00eda amplificar, en ciertas circunstancias, las fluctuaciones de la energ\u00eda de vac\u00edo de los campos cu\u00e1nticos.<\/p>\n

Una de esas circunstancias podr\u00eda suceder durante la contracci\u00f3n de una estrella de neutrones. Con una masa comparable a la del Sol, pero conformadas por neutrones comprimidos en una esfera de m\u00e1s o menos 20 kil\u00f3metros de di\u00e1metro (la distancia que separa el centro de S\u00e3o 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 n\u00facleo experimenta una implosi\u00f3n. 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 peque\u00f1as, las estrellas de neutrones resultan dif\u00edciles de observar, y frecuentemente se las estudia a trav\u00e9s de sus emisiones de ondas de radio y de rayos X.<\/p>\n

Lima, Vanzella y Matsas descubrieron que, si una estrella de neutrones se comprime hasta cierto di\u00e1metro, su gravedad comienza a causar perturbaciones en el espacio que alimentar\u00edan un crecimiento exponencial de las fluctuaciones de energ\u00eda del vac\u00edo de un campo cu\u00e1ntico. Eso significa que, aunque la energ\u00eda total del campo siga siendo casi siempre igual a cero, algunos puntos del espacio concentrar\u00edan moment\u00e1neamente cantidades enormes de energ\u00eda positiva, mientras que otros concentrar\u00edan an\u00e1logas cantidades de energ\u00eda negativa.<\/p>\n

Tal situaci\u00f3n resulta casi inimaginable. Ser\u00eda como si las peque\u00f1as ondulaciones sobre un lago, de repente comenzaran a subir y bajar fren\u00e9ticamente a alturas y profundidades cada vez mayores. \u201cEn un lapso de milisegundos, la densidad de energ\u00eda de esas fluctuaciones ser\u00eda lo suficientemente grande como para curvar el espacio-tiempo m\u00e1s que la propia estrella\u201d, comenta Vanzella. \u201cPero ese crecimiento no podr\u00eda durar para siempre y algo deber\u00eda ocurrir con la estrella y el campo para restablecer la curvatura del espacio-tiempo\u201d.<\/p>\n

Despu\u00e9s de la tormenta
\n<\/b>Para saber con exactitud qu\u00e9 podr\u00eda sucederles a las estrellas y a los campos cu\u00e1nticos, los cient\u00edficos deben trabajar con las ecuaciones de la relatividad general, combinadas con las de la teor\u00eda cu\u00e1ntica de campos, que directamente resultan casi imposibles de resolver. Los te\u00f3ricos afrontan el desaf\u00edo poco a poco y por partes, vali\u00e9ndose de los principios generales de la f\u00edsica y de c\u00e1lculos aproximados que, gradualmente, van revelando detalles del problema.<\/p>\n

En 2012, el f\u00edsico Andr\u00e9 Landulfo, quien actualmente trabaja en la Universidad Federal del ABC, se uni\u00f3 al equipo para demostrar que, sin importar lo que suceda con la estrella de neutrones al t\u00e9rmino de aquel proceso, buena parte de su energ\u00eda se transferir\u00e1 hacia el campo cu\u00e1ntico, generando nuevas part\u00edculas. \u201cLa fluctuaci\u00f3n que creci\u00f3 mucho durante la fase inestable har\u00e1 que el campo no retorne a una configuraci\u00f3n de vac\u00edo cuando el sistema vuelva a estabilizarse\u201d, explica Vanzella. \u201cFinalmente, el campo producir\u00e1 un mont\u00f3n de part\u00edculas\u201d.<\/p>\n

Esas nuevas part\u00edculas elementales ser\u00edan invisibles para los telescopios, pero le extraer\u00edan una cantidad inmensa de energ\u00eda a la estrella de neutrones, o a lo que quede de ella. Y esta p\u00e9rdida de energ\u00eda podr\u00eda tener consecuencias observables.<\/p>\n

\u201cEs una posibilidad interesante\u201d, comenta el f\u00edsico italiano Paolo Pani, de la Universidad T\u00e9cnica de Lisboa, en Portugal, quien trabaja en la relaci\u00f3n entre teor\u00edas f\u00edsicas alternativas y observaciones astrof\u00edsicas. A Pani le gustar\u00eda que alg\u00fan investigador incluyera el efecto del despertar del vac\u00edo en las simulaciones de explosiones de supernovas. \u201cEsas simulaciones ser\u00edan importantes para entender si el efecto puede explicar las emisiones de rayos gama\u201d, dice.<\/p>\n

Con todo, Matsas y Vanzella subrayan que, incluso si no se realizan simulaciones astrof\u00edsicas sofisticadas, los resultados de sus c\u00e1lculos ya podr\u00edan compararse con las observaciones. \u201cEstamos en condiciones de descartar la existencia de ciertos campos libres que a\u00fan son tenidos en cuenta a nivel te\u00f3rico\u201d, explica Vanzella. \u201cSi podemos observar, por ejemplo, estrellas con una determinada relaci\u00f3n masa-radio que deber\u00edan destruirse con el despertar del vac\u00edo de un cierto campo, es porque ese campo no existe\u201d.<\/p>\n

El trabajo m\u00e1s reciente del equipo, llevado adelante por la f\u00edsica Ra\u00edssa Mendes, quien est\u00e1 concluyendo su tesis doctoral bajo la supervisi\u00f3n de Matsas, tambi\u00e9n se public\u00f3 en la Physical Review D<\/i>. En el mismo, el grupo estableci\u00f3 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 a\u00f1os 1970 para descubrir lo que provocar\u00eda el despertar del vac\u00edo cu\u00e1ntico en las estrellas de neutrones.<\/p>\n

A partir de esos c\u00e1lculos realizados por otros investigadores, el equipo pudo determinar que las estrellas de neutrones pueden, en algunos casos, sobrevivir al despertar del vac\u00edo. Seg\u00fan plantea Vanzella, ese efecto s\u00f3lo ocurre cuando se adoptan ciertos valores para uno de los t\u00e9rminos de la ecuaci\u00f3n que establece de qu\u00e9 modo el campo libre interact\u00faa con la curvatura del espacio-tiempo. \u201cTal efecto aparece para ciertos intervalos de valores de dicho t\u00e9rmino, algunos positivos y otros negativos\u201d, dice el f\u00edsico. \u201cLos c\u00e1lculos realizados por otros investigadores sugieren que, para los valores negativos, la creaci\u00f3n de part\u00edculas ser\u00eda suficiente como para interrumpir el crecimiento de la energ\u00eda del vac\u00edo y entonces la estrella sobrevive\u201d.<\/p>\n

Por estos d\u00edas, Vanzella y el f\u00edsico Raphael Santarelli, quien realiza un posdoctorado con \u00e9l en S\u00e3o Carlos, est\u00e1n analizando el caso, para cuando ese t\u00e9rmino adopta valores positivos. Los resultados preliminares sugieren que la estrella ser\u00eda destruida. \u201cLo que ya sabemos es que la creaci\u00f3n de part\u00edculas no ser\u00e1 suficiente como para restablecer el sistema\u201d, relata Vanzella. \u201cPodr\u00eda suceder alguna otra cosa, tal vez se origine un agujero negro\u201d. En 2010, Matsas apost\u00f3 una caja de botellas de vino por la hip\u00f3tesis que sosten\u00eda que una estrella de neutrones siempre ser\u00eda destruida por el despertar del vac\u00edo. \u201cAhora\u201d, dice, \u201cparece ser que ganar\u00eda la mitad de la caja y perder\u00eda la otra mitad\u201d.<\/p>\n

Proyecto<\/strong>
\nF\u00edsica en espacios-tiempos curvos (n\u00ba 2007\/ 55449-1<\/a>); Modalidad<\/b> Proyecto Tem\u00e1tico; Investigador responsable<\/b> George Emanuel Avraam Matsas (IFT-Unesp); Inversi\u00f3n<\/b> R$ 181.501,15 (FAPESP).<\/p>\n

Art\u00edculos cient\u00edficos<\/em>
\nMENDES, R.F.P. et al.<\/em> Quantum versus classical instability of scalar fields in curved backgrounds<\/a>. Physical Review D<\/b>. v. 89, p. 047503. 24 feb. 2014.
\nLANDULFO, A.G.S. et al.<\/em> Particle creation due to tachyonic instability in relativistic stars<\/a>. Physical Review D<\/b>. v. 86, p. 104025. 2012.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"La energ\u00eda del espacio vac\u00edo puede revelar la naturaleza de la materia oscura","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[103],"class_list":["post-153024","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/153024","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=153024"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/153024\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=153024"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=153024"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=153024"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=153024"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}