NeoFronteras

Sobre la formación de miniagujeros negros en el LHC

Área: Física — lunes, 25 de enero de 2010

Realizan un cálculo relativista según el cual es posible crear miniagujeros negros a partir de choques entre partículas a muy alta energía.

Foto
Fotogramas de la simulación en la que dos partículas chocan y producen un mini agujero negro. Fuente: Frans Pretorius.

Cuando se iba a poner en marcha el LHC, algunos conspiranoicos y gente con afán de notoriedad advirtieron que tal evento iba a suponer el fin del mundo. Según ellos, las colisiones de ese acelerador iban a producir agujeros negros que se tragarían la Tierra y a todos sus habitantes. La cosa incluso llegó a los tribunales.
Lo que los científicos pudieron en duda fue tal cataclísmico final. El LHC no va a producir colisiones más poderosas de las que los rayos cósmicos ya producen en la atmósfera terrestre, así que no hay que temer ningún mal. Incluso si tales agujeros negros se formaran, éstos decaerían en otras partículas rápidamente sin causar daños.
Lo que los científicos no pusieron en duda fue la posibilidad de creación de esos objetos. De hecho, se supone que se podrían producir, lo que significaría un magnífico descubrimiento. Pero nadie había realizado un cálculo preciso sobre esta posibilidad. Ahora, un modelo computacional que usa la Relatividad General publicado en Physical Review Letters (en prensa) predice por vez primera que una colisión entre partículas puede dar lugar a la creación de un miniagujero negro. Aunque era un resultado que se esperaba es importante conocer los detalles de este proceso.
Para formar un agujero negro sólo se necesita comprimir suficiente masa en un volumen lo suficientemente pequeño, el resto lo hace la gravedad. En un agujero negro la curvatura del espacio-tiempo producida por la masa es tan pronunciada que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de él.
En el caso del colapso de una estrella hay implicadas millones de toneladas, en el caso de un agujero de negro obtenido mediante colisión de partículas esa masa es minúscula, pero la clave es la misma: comprimirla en un volumen lo suficientemente pequeño como para que la fuerza de gravedad ya opere sola.
La Relatividad General nos dice que tanto la masa como la energía gravitan, y que incluso la gravedad gravita (de ahí la dificultad de las ecuaciones de Einstein). Entonces, como la masa y la energía son dos aspectos de una misma cosa, da igual si concentramos una o la otra para obtener el mismo resultado.
La “conjetura del aro” indica cuánto se tiene que comprimir una partícula de determinada masa para que dé lugar a un agujero negro. A groso modo, si tenemos dos partículas que colisionan, basta que lo hagan con una energía por encima de la energía de Planck para que el fenómeno de formación de un agujero negro se dé.
Además, cálculos realizados en los setenta sugerían que una colisión entre partículas podría dar lugar a un agujero negro, pero en el modelo se asumía que las partículas ya eran agujeros negros de partida, por lo que el argumento era ligeramente circular.
Por tanto, había indicaciones de que el proceso se podría dar, pero no había pruebas teóricas sólidas en las que se tuvieran en cuenta todos los actores implicados.
Recientemente, Matthew W. Choptuik y Frans Pretorius, ambos de la Universidad de Princeton, han simulado colisiones que incluyen los complejos detalles matemáticos de la Relatividad General. Trabajo del que se ha hecho eco el servicio de noticias de Science. Por simplicidad lo hicieron con unas partículas hipotéticas conocidas como estrellas bosónicas, que son modelos que describen las estrellas como si fueran esferas hechas de un fluido. Aunque esto es una aproximación, por otro lado tuvieron que tener en cuenta las interacciones gravitatorias entre las partículas en colisión usando Relatividad General. Para poder realizar esta simulación se vieron obligados a utilizar cientos de ordenadores.
Pudieron comprobar que se obtenían agujeros negros si las dos partículas en colisión llevaban una energía total de un tercio de la energía de Planck.
Pero la energía de Planck es un límite fundamental, tan elevado que probablemente nunca lo podremos alcanzar, ni tampoco un tercio de la misma ni muy por debajo de ella. De hecho, el LHC alcanzará una energía máxima que está cuatrillones de veces (por decir algo) por debajo de la energía de Planck. Por tanto, parece que nos es imposible crear agujeros negros con esta receta.
¿Estamos por tanto “a salvo” de que el LHC genere estos miniagujeros? Según Choptuik no necesariamente. Si asumimos que el espacio es tridimensional no podremos alcanzar la energía suficiente, pero si hay otras dimensiones espaciales compactificadas, como sostienen algunas teorías, la energía necesaria podría ser muy inferior. Pero Choptuik se muestra cauto y admite que de ser así se sorprendería extremadamente.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=2980

Fuentes y referencias:
Copia del artículo en ArXiv.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
Compartir »

23 Comentarios

  1. Joabbl:

    Se me ocurren un par de preguntas al leer este artículo. ¿Está el LHC (o mejor sus detectores) preparado para detectar esos hipotéticos agujeros negros si se producen? Y en caso afirmativo y dado lo que se dice al final del artículo, si se detectaran se podría considerar como una prueba válida aunque indirecta de la existencia de las tan traídas y llevadas dimensiones extras?

    Saludos extradimensionales.

  2. ___Emilio:

    La verdad es que este artículo (más bien lo que he entendido de él) lejos de tranquilizarme me hace preguntarme que:

    -¿Hasta HOY no se sabía totalmente que ERA POSIBLE que lo que se va a hacer en el acelerador va a provocar uno (o varios?) “mini” agujeros negros?

    Por tanto, quizás (hasta lo que sabemos HOY) el llamar la atención por parte de los “conspiranoicos” no era tan exagerado ya que a día de HOY… no sabemos el comportamiento de un “mini” agujero negro ¿o sí?

    Me refiero a que si alguien ha DEMOSTRADO que un mini agujero NO se pueda transformar en un Maxi agujero… El razonamiento de que en una estrella hay más masa… no me deja nada tranquilo porque si el agujero atrae masa (sea mini o maxi) crecerá lentamente siendo mini… pero ¿CRECERÁ?

    La pregunta condensada es ¿Cómo puede asegurarse que un mini agujero no puede crecer?

    Saludos y suerte… ¿la vamos a necesitar? :)

  3. Joabbl:

    No parece que haya ningún riesgo real con los miniagujeros negros porque, tal como explica el artículo, las colisiones de rayos cósmicos son mucho más energéticas, ocurren continuamente y no parece que nos haya devorado ningún agujero negro. ¿Tendrán la culpa de la crisis que nos aflige?
    Ya en serio, si un miniagujero negro fuese estable y pudiese crecer devorando materia, es de imaginar que el universo estaría lleno de ellos y que podrían surgir en cualquier lugar donde chocasen un par de partículas con la energía necesaria. Si eso fuese así, la crisis sería lo de menos…

    Saludos

  4. NeoFronteras:

    Incluso si uno de esos agujeros se forma se evaporaría por emisión Hawking en una fracción de segundo. Si aún así sobreviviese y cayese al interior de la tierra la presión de radiación de la materia engullida por el propio agujero impediría que cayese más materia.

  5. lluís:

    Si puedieran producirse mini-agujeros negros y fueran detectables, esto podría ayudar en la construcción de una teoría cuántica de la gravedad.

  6. NeoFronteras:

    Sólo una pequeña aclaración para los que les atrae esto de la detección de partículas.
    Las partículas más exóticas y raras casi nunca se detectan directamente. Suelen tener vidas muy cortas que les impiden incluso alcanzar el detector que rodea el punto de colisión. Lo que sí se ve son los productos de su desintegración. Midiendo esas partículas se puede hacer una reconstrucción de las características de la partícula madre.

  7. ___Emilio:

    Pregunta:
    ¿Se ha DEMOSTRADO que un “miniagujero” sí/no puede crecer? Me refiero a si al igual que antes era una “conspiración” la existencia o creación de agujeros negros en un acelerador y luego se ha demostrado -en papel- que sí, quisiera saber si se ha demostrado que sí/no puede crecer.

    La verdad es que si NO hay demostración… a mi me da un poco de respeto, como mínimo.

    Saludos!

  8. bien:

    Emilio, en ciencia no nos es posible demostrar nada. Lo que sí sabemos es que, según las teorías actuales, un miniagujero negro tal se evaporaría, como dice NeoFronteras, por radiación de Hawking. La contrastación que se ha ido haciendo a lo largo del tiempo de esas teorías nos permite tener bastante confianza en ellas, pero la seguridad es imposible.

  9. NeoFronteras:

    Todavía no se ha demostrado o visto ningún agujero negro (AN) de ninguna clase. Por deducción se sabe que hay objetos astronómicos muy compactos para los cuales tenemos como única explicación que sean agujeros negros.
    Como la Física no son Matemáticas no podemos demostrar tampoco su existencia con lápiz y papel. Siempre se necesita de un experimento u observación fidedigna. No obstante, el valor de un estudio que dice que se puden dar este tipo de situaciones es el mismo que los estudios que dicen que se evaporarían al instante.
    Sobre la seguridad del LHC en ese sentido tenemos los experimentos mucho más energéticos que la Naturaleza efectúa en la atmósfera terrestre y como es evidente no hemos sido engullidos por ningún AN.
    Otra cosa a tener en cuenta que confunde mucho es suponer que un AN es una especie de aspiradora que lo absorbe todo. Esto no es así. Si comprimiéramos la Tierra hasta que tuviera la densidad necesaria para transformarse en un AN la intensidad de su campo gravitatorio sería exactamente la misma. Los satélites continuarían con sus mismas órbitas al igual que la Luna. No se enterarían de nada.
    Si por colisión de dos partículas producimos un mini agujero negro, su campo gravitatorio sería igual al producido por el total de su masa-energía, es decir extremadamente débil.
    El cambio climático, el colapso ecológico, la superpoblación, una mini guerra nuclear o incluso un meteorito son peligros varios órdenes de magnitud más probables.

  10. ___Emilio:

    bien:

    No comprendo lo que quieres decir que “en ciencia no nos es posible demostrar nada”: creo que sí es posible, ¿no? ¿Te refieres quizás a EN ESTE CAMPO de la relatividad? (por ser quizás una parte de la ciencia que se basa en TEORÍA… no se puede demostrar, ¿es eso?)

    En todo caso: ¿está “demostrada”/comprobada experimentalmente la radiación de Hawkins o es una predicción a esperas de obtener el dato empírico?

    Entiendo que la “única” razón que se tiene para que un miniagujero no crezca es la existencia de esa radiación, ¿no?

    Saludos.

  11. JAvier:

    No emilio, lo que quiere decir es que en ciencia es más fácil derribar una teoría que sostenerla. De hecho a la hora de hacer experimentos suele buscarse un resultado que la contradiga. Si se hacen las cosas bien (disminuyendo lo más posible el error experimental y haciendo los procedimientos con el mayor de los cuidados), aporta más información que los resultados no tengan ni pies ni cabeza a que salga perfecto.

    Las teorías más aceptadas son las que menos experimentos tienen que las hayan desmentido. Lo que no quiere decir que sean correctas.

  12. RicardM:

    Javier: Le has dado un enfoque a primera vista sorprendente pero estoy completamente de acuerdo contigo. Permíteme un corolario: “Si en un experimento bien diseñado los resultados no se ajustan a lo previsto, es que hay algo que no has tenido en cuenta”. Identificar ese “algo” es el reto.

    Saludos cordiales.

  13. lluís:

    Estoy bastante de acuerdo con lo que dice JAvier. La RG es taxativa cualquier experimento u observación que discrepara la arruinaría sin remisión; es difícil pensar que tal teoría pudiera acomodar las discrepancias mediante pequeños reajustes.Por eso mísmo hay una motivación extra en realizar nuevas verificaciones de la teoría de la gravedad de Einstein.La detección de agujeros negros abriría caminos nuevos para verificar la RG. En cuanto a “convertir” la Tierra en agujero negro,alguien hizo los cálculos y se la tendría que comprimir hasta reducirla a una bolita de 8 milimetros de radio, si mal no recuerdo.Nada pasaría en las órbitas del sistema solar, puesto que la masa de la Tierra sería la mísma solo que muchisimo más comprimida.

  14. lluís:

    Perdón.Me equivoque en mi anterior comentario.También se calculó cuanto debería comprimirse el Sol para convertirlo en en un agujero negro.Una bola de un radio de 2.5 km. y tendríamos un agujero negro, y si todo lo demás permaneciera igual, las órbitas de los planetas del sistema solar no variarian puesto que la masa del sol sería la mísma, sólo que muy comprimida.

  15. Antonio Vivanco:

    Estimados, se conoce cual seria el horizonte de sucesos de este mini AN si se crease ??
    Da esa distancia para alcanzar a atrapar alguna partícula distraída o la distancia es menor que las distancias o tamaños sub-atomicos ??

    Se puede determinar la masa critica para que el horizonte de sucesos comience a capturar partículas o atomos , y ese limite seria el que no debiéramos sobrepasar…

    mmm, podría un mini AN arrancar los electrones de un átomo al acercarse a este ? entonces, que pasa con la carga del AN, a esta escala …

    Gracias por este iluminador portal.

    Antonio

  16. NeoFronteras:

    Estimado Antonio:
    El radio al que estaría ese horizonte sería, sin duda, muy pequeño, por debajo de la escala atómica.
    Pero la posiblidad a la que apunta de que ese miniagujero esté cargado (al tragarse un electrón, por ejemplo, por también por formarse a partir de partículas cargadas) es altamente interesante.

  17. tomás:

    Hola, D. lluís: ¡Cuanto tiempo sin llevarte la contraria!:
    Me extrañó lo de los mm para la Tierra e hice un cálculo facilito basándome en un dato parece que fiable. Hay por ahí un agujero negro que tiene una masa de 7´6×10^30 kg y su radio es de 12 km. Con ese dato y conocidas las masas del Sol y de la Tierra me salen, para el Sol 7´7 km y para la Tierra 110 m.
    Si tuvieses razón en tu 14, y al Sol correspondieran 2`5 km, a la Tierra habría que admitirle 35 m.
    Lo que pasa es que he supuesto que debe haber una densidad igual en los agujeros negros y no sé si eso es así, aunque parece posible, al menos una mínima, que sería de alrededor 10^15 veces la del agua.
    Un fuerte abrazo.

  18. lluís:

    Hola, D.tomás. En realidad no me llevas la contraria, puesto que yo no hice esos cálculos.Los dí de memoria y los leí en alguna parte.En cuanto a los agujeros supermasivos, se les supone poca densidad puesto que parece que podrian flotar en un océano.
    Un abrazo tomás.

  19. lluís:

    En cuanto al comentario de Neo supongo que la probabilidad altamente interesante de que esté cargado el agujero negro, hace referencia a que se daría otro verificación de la teoría de la gravedad de Eínstein.

  20. NeoFronteras:

    Estimados ciencianautas:
    El radio de Schwarzschild (R=2Gm/c2) para la masa terrestre sale 0,009 metros. Es decir, más o menos 1 cm.
    En cuanto a lo de que un miniagujero negro esté cargado abre la posibilidad, dada la alta relación carga/masa, de que la singularidad (si es que existe) aparezca desnuda. Aunque habría que hacer muy bien las cuentas en ese caso.

  21. tomás:

    Entonces, -¡como siempre!- tiene razón lluís. Con el impulso gravitacional de Neo me he ido a Wiki y el Sr. Schwinnombrable da 3 km de radio para el Sol y 9 mm para la Tierra. A callar tocan. Bueno, eso me resulta imposible. Ese cacahuete deba ser sin cáscara.
    No comprendo como un agujero negro -AN para los amigos- puede tener la densidad del agua. Su acción gravitatoria de no permitir que escape la luz para justificar su nombre, sólo depende de su masa y, por tanto, es posible, pero ¿qué hay de su colapso?. El Sol tiene una densidad media algo mayor y cuando consuma su hidrógeno… ¿Quizá a esos AN les sucederá algo parecido? ¿Podrían seguir contrayéndose conforme adquieren masa?
    De todas formas, con tan pequeña densidad media, la de la parte más externa ha de ser muy pequeña y, por tanto, sería engullida o, de no ser así, su horizonte de sucesos debería caer dentro, no en su límite externo y entonces ya no sería un AN. Además no sé si se cumpliría la proporcionalidad entre la masa y el radio que dice Schw…
    Por otra parte la densidad igual para los AN que he supuesto, no es cierta, pero, así, a bote pronto como suele decirse, resulta que es mayor cuanto más pequeño es, lo que parece una incongruencia desde el punto de vista de considerar que el agujero es mayor cuanto mayor es el cuerpo del que se origina.
    Bueno, como ando poco sabido en el tema, sí que soy un agujero negro donde no veo la luz. Cuando tenga tiempo ya me lo miraré. Lo último que leí, que recuerdo icluia esos minis, fue al leer la conocida “Breve historia del tiempo” y, de eso, hace ya bastantes años.

  22. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Desde el punto de vista de la Relatividad General no se puede hablar estrictamente de densidad de un AN. El radio de Schwarzschild da la distancia a partir del centro a la que se encuentra el horizontes de sucesos. Entre ese horizonte y el centro lo único que hay es un vacío. Toda la masa del agujero se concentra en la singularidad central, que mide cero. Es decir, ahí la densidad es infinita.

  23. tomás:

    Gracias, Neo. Aunque no se puede hablar en propiedad de densidad con lo que dices, si se toma esta como relación M/V media, haciendo unas sencillas operaciones se ve que, partiendo de la relación directa entre masas y radios sale una relación inversa entre densidades y cuadrados de las masas. Por tanto me alegra mucho mi modesta serindipia particular de 21. Ello nos lleva a que la densidad del imaginario AN de la Tierra, sería mucho mayor que la densidad correspondiente al Sol. ¡Pero me sale aprox. nada menos que 0’1 billón de veces mayor! Me parece asombroso. Pero, claro, eso hace posibles densidades, no sólo como la del agua sino incluso como la del aire o menores en AN grandísimos.
    ¡Qué cosas!

RSS feed for comments on this post.

Lo sentimos, esta noticia está ya cerrada a comentarios.