Microagujeros negros y viaje espacial

Supongo que muchos de vosotros habréis leído las crónicas de McAndrew, del escritor Charles Shefield (los que no lo hayan hecho, pues ya están tardando ).

Uno de los elementos estrella de esas crónicas es el kernel. Básicamente un kernell de esos es un agujero negro de Kerr-Newman (osea un agujero negro rotatorio y cargado) de poco peso (y evidentemente tamaño) que es usado para producir energía mediante el proceso de Penrose, o algo similar. Este tipo de procesos se basan en extraer energía rotatoria del agujero mediante el procedimiento de lanzar hacia él una partícula que al llegar a la ergoesfera (zona del espacio-tiempo que gira con el agujero) es acelerada. Una vez tiene una cierta velocidad de rotación la partícula se divide en dos, una parte queda atrapada en el agujero negro y la otra escapa lejos de él, con una energía cinética mayor de la que tenía la partícula inicial (pese a tener menos masa).

La necesidad de que el agujero negro tuviera carga surgía de la necesidad de poder controlarlo, pero no jugaba mayor papel en la producción de energía.

El uso principal de esos dispositivos era la propulsión de naves espaciales. Realmente ese es un factor a tener en cuenta pues , aunque pequeña, la masa de un agujero capaz de aportar una cantidad práctica de energía posiblemente lo convirtiese en un peligro caso de que se perdiera el control y terminara deambulando por el interior del planeta.

Eso era una novela y aunque el proceso de Penrose, y el resto de la física, era totalmente sólida, tenía unos pequeños problemas prácticos. Uno de ellos era el pequeño problemilla de no tener a mano un microaguero negro de esos. Si no recuerdo mal en la novela ese microagujero se suponía que provenía de los agujeros negros primordiales formados poco después del big-bang y que aún no se hubiesen desintegrado por radiación de Hawkings en la actualidad.

Otra posibilidad que existe (no recuerdo si aparecía en el libro, pero ciertamente hay gente qu ela ha investigado y ha hecho los cálculos) sería formar uno de tales agujeros negros mediante la implosión de una cierta cantidad d materia dispuesta en capas esféricas en el interior de una detonación de una distribución igualmente esférica de bombas atómicas. Un agujero de esas características tendría- relativamente- bastante masa, y no tengo muy claro como se podría controlar una vez creado. Dado que con esa masa posiblemente estuviera en el régimen de acrección de Bondi sería un peligro potencial a medio plazo para el planeta caso de quedar atrapado en el interior del mismo.

Un hecho a tener en cuenta es que esa novela es de los 80. Desde entonces ha habido unos cuantos desarrollos en física teórica, y en particular los modelos de mundos brana inspirados en las teorías de cuerdas. En esos modelos la gravedad a cortas distancias es mucho mayor pues existe una dimensión extra de tamaño mesoscópico (intermedio entre le miro y el macroscópico). Esa gravedad aumentada abre la posibilidad de crear agujeros negros en un colisionador de partículas que alcance energías de unos pocos TeV, como por ejemplo el LHC. Imagino que cualquiera que no haya estado haciendo turismo espacial (o que haya quedado atrapado en una isla desierta) habrá oído bastantes veces la histeria del agujero negro del LHC que podría destruir el mundo y las correspondientes justificaciones -no siempre explicadas con el necesario detalle en mi opinión- de porque no hay que temer eso (ciertamente algunas explicaciones que he leído de tan simplificadas que pretenden darlas son directamente erróneas, pero bueno, si uno busca encuentra los detalles).

Sin duda cualquiera que conozca por separado los dos hechos que he presentado se planteará si no pueden unirse. Es decir, si no puede estabilizarse un agujero negro de esos que crea el LHC, sobrelimentándolo para que no se desintegre inmediatamente por la radiación de Hawkings y haciéndolo crecer mas rápido de lo que lo haría por si mismo hasta que alcance un tamaño decentito y poder usarlo de Kerrnell. Yo, desde luego, me lo he planteado. Pues bien, hay un físico -Louis Crane- que lleva unos cuantos añitos muy centrado en esos temas y que este Agosto publico un artículo en Arxiv sobre el particular (http://arxiv.org/abs/0908.1803v1) bajo el muy descriptivo título: “ARE BLACK HOLE STARSHIPS POSSIBLE? “. Una descripción sencilla del artículo puede leerse aquí: http://www.sciencenews.org/view/feature/id/50326/title/A_black_future

El artículo empieza haciendo un repaso de los problemas prácticos que presenta el viaje espacial tripulado a largas distancias. Uno de ellos el crear un escudo eficaz contra los rayos cósmicos. La mayoría de soluciones a este problema requieren o bien un blindaje muy pesado, que obliga a que el vehículo consuma mucha mas energía para ser acelerado, o bien un blindaje magnético que requiere mucha energía. Sea como sea hace falta mucha energía (podéis ver detalles sobre ese problema-así como del resto problemas del viaje a marte- en este documental:http://www.documaniatv.com/tecnologia/rumbo-a-marte-3-mantenerse-con-vida-video_e8e1232c8.html). Ciertamente esta bastante claro que el viaje espacial a largas distancias sólo es una perspectiva realista para el común de los mortales si se consiguen fuentes de energía mucho mayores de las actuales (en el artículo menciona la antimateria, ero enseguida la descarta como sistema práctico (podéis leer mas sobre esa posibilidad en el blog de física en la ciencia ficción de Sergio L. Palacios, concretamente en http://fisicacf.blogspot.com/2007/09/por-un-puado-de-antimateria.html y en http://fisicacf.blogspot.com/2007/10/hasta-que-lleg-su-hora.html)

Tras eso va al tema en sí, los agujeros negros. Debo decir que la propuesta que hace es diferente de las que he apuntado atrás, pero estaba bien recordarlas para tener claro lo que se había discutido hasta ahora sobre ese tema.

Lo primero que discuten es como el agujero negro proporcionaría energía. En vez de el proceso de Penrose pretenden usar la emisión de Hawkings. En la sección III del artículo discuten los detalles de la misma, y las correcciones a la potencia emitida por ese proceso cuando el agujero negro tiene un radio muy pequeño y la temperatura de Hawkings es tan grande que permite emitir no sólo fotones sino muchos otros tipos de partículas. En particular llegan a dos conclusiones. Una es que la energía emitida es mayor que la que sugieren los modelos mas simples. Otra es que, adecuadamente dirigida esa radiación puede usarse para propulsar el agujero negro (y potencialmente cualquier cosa que se ancle adecuadamente a él) hasta velocidades cercanas a la luz. Es decir, que podría usarse directamente el agujero negro como sistema de propulsión y no sólo como fuente de energía.

Luego discuten como formar un agujero negro en el rango de masas adecuado (lo que ello llaman un agujero negro subatómico). Para ese fin se considera un mecanismo distinto a los dos que he comentado antes. La idea propuesta es usar una distribución de lasers de rayos gamma apuntando hacia una región central dónde estaría la masa que se pretende colapsar. La verdad es que no dan muchos detalles en este artículo sobre ese particular y remiten a la bibliografía (que no he consultado). En particular me intriga si en esos cálculos consideraran solamente escenarios con cuatro dimensiones o también tendrán en cuenta la posibilidad de la existencia de dimensiones extra mesoscópicas, lo que posiblemente facilitaría un poco el proceso. Conociendo un poco las preferencias teóricas de Crane sospecho que casi seguramente habrán contemplado solamente el caso sin dimensiones extra. En cierto modo eso sería bueno pues haría depender todo el contructo teórico de un factor que si bien puede existir no se suele considerar que sea algo excesivamente probable.

Toda la física discutida en el artículo es física standard, y mucha de ella esta probada en laboratorio. Pero no toda. La radiación Hawkings, no esta experimentalmente verificada, pero la practica totalidad de los físicos teóricos la consideran algo prácticamente inevitable ya que cálculos sobre la misma (y el muy relacionado tema de la entropia de los agujeros negros) ha sido hecha con muy diversas aproximaciones (aproximación semiclásica a la gravitación cuántica-osea cuantización en espacios curvos, teoría de cuerdas, LQG, etc) dando resultados concordantes. Otro asunto que discuten es que hacer cn el agujero negro cuando la nave deba estar en reposo. Ahí mencionan la opción del remanente. Esto equivale a decir que en algún momento la radiación Hawkings deja de funcionar y en vez de desintegrarse completamente queda algo del agujero negro-el remanente-. No es que este totalmente descartado, pero hay muy buenos argumentos para pensar que esa posibilidad es muy poco probable que sea cierta. Con todo ese es un detalle menor y en el artículo no lo mencionan como un aspecto crucial.

El otro aspecto importante que depende de física no verificada experimentalmente es que para que la energía/potencia emitida en función de la temperatura f(T) sea lo que a uno le gustaría sería muy deseable que en el espectro de partículas que pueden ser emitidas se incluyan partículas supersimétricas. Y la supersimetría es algo de lo que no se tiene constancia experimental (aunque la mayoría de teóricos, y sobre todo los de teoría de cuerdas están bastante convencidos de que debe existir). Lo bueno es que sobre estos dos asuntos pendientes, dimensiones extra mesoscópicas (que posiblemente juegue un papel accesorio), existencia o no de la radiación Hawkings y supersimetría nos pueda sacar de dudas el LHC (comprobar la radiación Hawkings dependería de la existencia de dimensiones extra del tamaño suficiente para crear agujeros negros microcópicos, si bien podrían obtenerse pruebas de esas dimensiones extra-caso de existir- incluso si no son lo bastante grandes para crear agujero negros).

Tal vez pueda parecer a algunos excesivamente especulativo, pero a mi particularmente me parece mucho menos exótico que otras cosas que he visto propuestas. De hecho me parece incluso sorprendentemente realista en su conjunto. Es más, dada la tremenda dificultad del viaje espacial (que queda muy claramente explicada en los documentales que dejé enlazados antes) me parece mucho más probable que si cuando ese tipo de viajes se lleven a la práctica con una cierta regularidad usen sistemas como el que propone Crane (u otros similares surgidos de la física de altas energías actualmente bajo investigación) que de cualquiera de las alternativas mas mundanas actualmente consideraradas.

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6 comentarios to “Microagujeros negros y viaje espacial”

  1. Angel Says:

    ¡Bueeeno!, esto solo puede ser ciencia-ficción por muchos años, y suponiendo que Penrose estuviese en lo cierto respecto a este tipo de agujeros negros.

    Pero bueno, conocer que hay científicos con tanta imaginación es agradable y esperanzador.

    Gracias por el artículo.

  2. freelancescience Says:

    Aclaro que Penrose no descubrió este tipo de agujeros negros. Las soluciones para agujeros negros rotatorios corresponde a Kerr. La de agujeros negros cargados se conoce como solución de Reissner-Nordstrom y la solución conjunta como solución de Kerr-Newman. Hasta dónde yo sé Penrose no tuvo ningún papel en encontrar esas soluciones.

    Yendo mas allá de las puras matemáticas comentar que los agujeros negros rotatorios sin carga son los que describirían la mayoría, sino todos, los agujeros negros astrofísicos, los formados por colapso de estrellas y los que ocupan el centro de las galaxias. Se espera que esos agujeros negros no tengan carga (que sea 0 a efectos prácticos)de ningún tipo ya que la materia de la que se formaron y de la que se alimentan posteriormente en promedio tiene carga 0.

    El papel de Penrose que menciono en la entrada es encontrar un mecanismo para extraer energía de este tipo de agujeros negros.

    En cualquier caso el mecanismo que propone Crane es diferente al mecanismo de Penrose y esta basado en la radiación de Hawkings, un fenómeno de origen cuántico por el cual los agujeros negros emiten radiación a un ritmo que depende de su área, la cuál a su vez depende de su masa.

    El mecanismo de creación del agujero negro en sí, y el uso que se discute aquí de él, hasta dónde yo sé es del propio Crane. Una vez creado el agujero negro sería un agujero negro de Kerr-Newman (asumiendo que se lo crea a partir de materia cargada, para poder manipularlo con campos eléctricos y magnéticos). Dado que son artificiales y que el tamaño que tendrían sería abismalmente diferente del de los agujeros negros astrofísicos supongo que se los podría bautizar como agujeros negros de Crane-Kerr-Newman.

    La parte mas interesante es durante cuanto tiempo serán pura teoría. Según Crane ya casi existe la tecnología como para intentar poner en marcha un proyecto que intente llevar la idea a la práctica. Sin haberme informado a fondo sobre el tema mi opinión provisional es que es mas viable a corto plazo esta idea que la fusión nuclear. El mayor problema que le veo es que ese tipo de agujeros si que serían potencialmente peligrosos si llegara a perderse el control de los mismos y cayeran hacia el centro de la tierra.

    En realidad se supone que incluso si eso ocurre deberían desintegrar por radiación Hawkings mas rápido de lo que consumieran masa. Si el LHC al final crea microagujeros negros, con una masa mucho menor que estos de Crane, podría confirmarse experimentalmente la radiación Hawkings y así estaríamos mas tranquilos. De todos modos, como digo en la entrada, el consenso casi unánime de los teóricos es que esa radiación debe existir.

    Por otro lado eso también es potencialmente un problema pues si se deja que emita demasiado llegaría un momento en que esa emisión sería tan rápida que se convertiría en un fenómeno altamente explosivo. De hecho dependiendo de cuanta masa quedase en el agujero negro cuando la radiación Hawkings se acelerara el bicho sería potencialmente demasiado explosivo como para estar tranquilos.

    En definitiva, casi me ofrece mas incógnitas la forma exacta en como controlar el bicho una vez creado que la viabilidad actual de crearlo.

  3. Angel Says:

    Gracias por la puntualización respecto al origen del diseño teórico de este tipo de agujeros negros.

    Me cuesta entender que sea posible controlar un bicho de estos en caso de poder existir y ser capaces de crearlo. Piensa que ya somos capaces de crear la fusión nuclear. Otra cosa es que seamos capaces de controlarla y hacer que sea eficiente en aprovechamiento energético.

    Mmmm… me sigue pareciendo algo muy lejano de poder conseguirse.

    Por otro lado está la comprobación experimental directa de la existencia de cualquier tipo de agujero negro. No se si esto está resuelto o siguen quedando dudas. Y ya no digo de una singularidad en su interior.

    Gracias de nuevo.

  4. freelancescience Says:

    No sé si tu pregunta sobre la existencia o no de los agujeros negros tendrá algo que ver con el artículo de investigación y ciencia de este mes sobre “estrellas negras”. Acabo de leerlo y esta bastante bien.

    Voy a poner alguna otra entrada en breve con temas sobre agujeros negros (en parte relacionada con esta, en parte con otros aspectos) así que en ellas iré respondiendo etas preguntas.

  5. Angel Says:

    Están las supuestas estrellas negras (más “supuestas” que los agujeros negros), también hipótesis de modificaciones de la Relatividad General, por ejp. la que predice una velocidad de la luz infinita a tª de Planck y que está en pañales. Y, por qué no?, un dominio del estado cuántico antes del colapso total, venga de la teoría o hipótesis que venga.

    Pienso que tenemos poca información para aventurar tanto como se hace con los supuestos agujeros negros.

    Eso sí, espero tu opinión respecto a la hipótesis de las estrellas negras.

    Un saludo.

  6. Sobre la exploración del espacio | Ciencia ficción hard Says:

    […] idea se han escrito algunos artículos técnicos que ya he analizado en mi blog de ciencia, ver: Microagujeros negros y viaje espacial y las siguientes dos […]

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