Bombas de agujero negro en el LHC

Ayer en arxiv se pulbicó un artículo con un título bastante impactante: Black-hole bombs at the LHC

A estas alturas la histeria sobre la posibilidad de que un agujero negro creado por el LHC destruya la tierra se ha disipado mucho. Después de todo lleva funcionando más de un año y el planeta tierra sigue aquí tal cuál. Teniendo ese hecho en cuenta choca bastante encontrarse con un título tan “alarmista”.

Todo se aclara cuando uno se lee el artículo. Resulta que el concepto de “black hole bomb” es independiente de los agujeros negros del LHC. Mas sorprendente aún es que el concepto es independiente de la radiación de Hawkings. En este blog se comentaron en su momento unos artículos de “catastrofismo LHC” en los que se argumentaba que un agujero negro LHC adquiría en su trayecto inicial por la corteza terrestre una masa considerable (es decir, macroscópica) y que alcanzaría un equilibrio entre la masa que acretaba y la que emitía por radiación Hawkings convirtiéndose en una especie de explosión nuclear permanente en el centro de la tierra. De hecho la muy peculiar Louise Riofrio, proponente de un modelo cosmológico basado en una velocidad variable de la luz y bloguera en un blog del mismo título que su teoría cosmológica GM=tc^3 ha propuesto en varias entradas que en realidad la tierra ya tiene un agujero negro de esos e su interior. Más aún , proponer que todos los planetas y estrellas contienen un tal agujero negro. El motivo que le lleva a tan peregrina sugerencia es la idea de que los agujeros negros primordiales formados en el big bang actuaron de semillas para atraer el gas interestelar y formar los cuerpos masivos (estrellas, planetas, etc). Por supuesto Louise Riofrio y sus teorías tanto cosmológicas como las de los agujeros negros “semilla” no estan respaldas por ningún físico ortodoxo, y con buenos motivos, claro. Para hacer esas afirmaciones y pretender ser tomado en serio hay qu eaportar mucha mas evidencia de la que ella expone.

Pero volvamos al artículo de arxiv de ayer. Como dije no es la radiación Hawkings lo que causa las explosiones. El mecanismo es bastante diferente, la superradianza. Como en ambos casos tenemos radiación son pertinentes unas aclaraciones. La radiación Hawkings es un fenómenos que surge cuando se intenta cuantizar un campo en un espacio curvo, en particular el espacio curvo que representa la geometría de un agujero negro. La idea intuitiva con la que se suele divulgar la idea es que si se forma un par virtual partícula-antipartícula en el borde del horizonte de sucesos del agujero negro y una de las partículas formadas cae al a.n la otra partícula no se aniquila y se vuelve real. LA cantidad de pares que se forman dependen de la nergía disponible, que, en ese caso, está asociada a la gravedad superficial del agujero negro. Cuanto mas pequeño es el agujero negro mayor es su gravedad superficial (porque es mas denso, no porque su masa sea mayor) y por tanto se forman mas pares. El conjunto de partículas del par que se quedan fuera del agujero negro tienen una distribución térmica y forman la radiacción Hawkings.

La superradianza es algo muy diferente. para empezar no es un fenómeno que implique en ningún momento a mecánica cuántica y es, por consiguiente, un fenómeno puramente clásico. La idea de la superradianza se entiende mejor explicando un fenómeno asociado, el proceso de Penrose para extraer energía de un agujero negro en rotación (agujero negro de Newman, o de Kerr-Newman si admitimos que el agujero negro pueda tener carga). La idea es simple. En las proximidad de un agujero negro en rotación existe una zona, denominada ergosfeea, dónde el giro del agujero negro arrastra al espacio-tiempo. Eso significa que ningún objeto que vaya a una velocidad inferior a la de luz (es decir cualquier objeto material conocido ya que no hay evidencia de la existencia de materia taquiónica) no puede permanecer estacionario y comparte la velocidad de giro del agujero negro. El truco está en lo siguiente. Si alguien lanza un objeto de masa m a la ergosfera este se va a ver acelerado al llegar a la misma. Una vez en la ergosfera el objeto se divide en dos mitades (que para simplificar los cálculos suelen considerarse iguales aunque no es obligatorio que sea así) una de ellas cae al agujero negro y la otra consigue salir de la ergosfera y escapar del agujero negro. Bajo ciertas condiciones en las masas, ángulos y velocidades puede lograrse que la partícula que escapa, de masa m/2 lleve mas energía que la partícula total que cae, de masa m. Y aquí, cuando digo energía, me refiero a la energía relativista, suma de la energía cinética y energía en reposo (la famosa E=mc^2). Esta ganancia de energía se produce a costa de disminuir la velocidad de giro del agujero negro así que no se viola la conservación de la energía que se da en cualquier espacio-tiempo asintóticamente plano (requisito para que pueda definirse la energía del campo gravitatorio) dónde haya un vector de Killing temporal, como es el caso de la geometría de Kerr-Newman (en un espacio-tiempo general no necesariamente se conserva la energía). La superradianza es una variante de este mecanismo dónde lo que incide es radiación en vez de una partícula.

Ya casi tenemos los ingredientes para las bombas black-hole. Solo falta uno:un espejo. La idea es simple. Uno manda radiación al agujero negro y ese la devuelve amplificada. Esta radiación amplificada rebota en un espejo y vuelve hacia el agujero negro, que a su vez la vuelve a amplificar, y así tenemos un proceso realimentado que termina por generar una “explosión” de radiación.

Este proceso se había analizado previamente en otros contextos. Lo que hace este artículo es estudiar ese fenómeno en el contexto de los posibles agujeros negros que podría fabricar el LHC. Recordemos que para que el LHC pueda fabricar agujeros negros debe existir al menos una dimensión extra del espacio-tiempo con una longitud muy, muy superior a la longitud de Planck, que es la típica de las dimensiones cuantizadas en los modelos más sencillos de la teoría de cuerdas. Bien, debemos pues tener un agujero negro en 5 dimensiones, pero con una de ellas de tamaño muy inferior a las otras. Los autores usan una de las métricas propuestas para describir esa geometría y analizan la superradianza para el caso de un campo escalar. EL papel de “espejo” lo forma la materia que circunda el agujero negro, que es mas que capaz de reflejar el campo escalar.

El resultado es que si el agujero negro tiene una vida del orden de 10^-23 segundos, que es lo que predicen los modelos mas sencillos basados en la evaporación Hawkings convencional, no hay tiempo para que se forme una bomba black hole Sin embargo si se usa otros modelos de evaporación el agujero negro puede tener una vida mayor, suficiente para formar una de esas bombas. Por supuesto dado que los agujeros negros son increíblemente pequeños y tienen una masa insignificante (del orden de la de unos GeV=giga electrón voltios) la “explosión” es igualmente irrelevante y no tiene ningún efecto macroscopicamente discernible, aunque sí podría dejar algún tipo de pauta observable en el LHC.

Por supuesto si el agujero negro no se evaporase por radiacción Hawkings la superradianza podría ser mucho mas grande y sería interesante tener en cuenta cuando alcanzaría un valor macroscopicamente noticiable. Los estudios de seguridad del LHC analizaron el caso de cuanto tararía un agujero negro formado en el LHC en tragarse la tierra si no se desintegraba por radiación Hawkings. El resultado fue que tardaría muchísimo. en particular tardaría mas tiempo del que tardará el sol en expandirse y quemar la tierra. Por supuesto eso cálculos usan modelos simplificados, y están respaldados por evidencias experimentales de origen astrofísico. Ahora bien, lo que no se contemplaba en esos cálculos es esto de las black hole bombs. Sería cuestión de en función de la evolución prevista del agujero negro no evaporante ir calculando su superradianza “bomba” y ver cuando esta es importante. Muy posiblemente esta superradianza se vuelva importante mucho antes de que el agujero negro tenga un tamaño peligroso. Debo decir que en artículo de ayer no se plantean el caso de que el agujero no se evapore y no están hechos estos cálculos. Supongo que sería interesante que alguien los hiciese ya que no son terriblemente difíciles sino mas bien lo contrario. Dejo a los lectores mañosos de este blog la tarea, y que luego nos dejen por aquí el resultado. Si veo que nadie se anima haé un esfuerzo e intentaré hacerlos yo mismo ;).

Por cierto, el interés practico de estos cálculos dependerá de si el LHC (o el tevatrón) encuentra evidencia de las dimensiones macroscópicas. Hasta ahora los resultados (no todos basados en búsqueda de agujeros negros, obviamente) son negativos. La única evidencia es la anomalía backward-forward en las colisiones protón-antiprotón observadas en el tevatrón que podrían explicarse mediante una partícula de kaluzaklein asociada a un gluón. Para ver esa propuesta, y otras, para explicar esa anomalia a 3.5 sigmas observada en el tevatrón recomiendo una entrada del blog de Jester, (resonances): Update on forward-backward asymmetry que ha sido también comentada en el blog de Lubos y en el de la mula francís.

P.S. Que nadie se vaya a preocupar ¿eh?. Está claro que los que han escrito el artículo han debido hacer los cálculos para el caso en el que el agujero negro no se evapora y no han encontrado nada alarmante. Caso contrario tendrían un artículo “gordo” en sus manos y la prosa habría sido mas agresiva y se habrían hecho autobombo en alguna rueda de prensa multitudinaria.

Anuncios

Etiquetas:

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s


A %d blogueros les gusta esto: