Los agujeros negros parecen diseñados para ocultar cualquier posibilidad de comprobar las leyes que los gobiernan. Su horizonte de sucesos impide que la luz escape y la radiación que Stephen Hawking predijo en 1974 sería tan tenue en los objetos astrofísicos conocidos que todavía no ha podido observarse directamente en el universo.
Un equipo internacional ha recurrido ahora a una alternativa mucho más accesible: recrear dentro de una fibra óptica las condiciones matemáticas de un horizonte. El resultado, publicado en Nature, permitió observar radiación de Hawking estimulada y, sobre todo, detectar cómo esa emisión afectaba al propio sistema que la había producido. Es el equivalente óptico de la retroacción que, en un agujero negro real, debería contribuir a su pérdida gradual de masa.
El trabajo no demuestra que los agujeros negros del espacio emitan necesariamente de esta forma ni confirma directamente que puedan evaporarse. Tampoco crea un objeto gravitatorio más pequeño que la escala de Planck. Lo que ofrece es un laboratorio donde las ondas obedecen ecuaciones equivalentes a las que describen su comportamiento cerca de un horizonte, permitiendo estudiar procesos que serían prácticamente inaccesibles mediante telescopios.
Un pulso de luz se convirtió en el horizonte de un agujero negro artificial
El experimento fue desarrollado por Lorenzo Procopio, Raul Aguero-Santacruz, David Bermudez y Ulf Leonhardt, investigador del Instituto Weizmann de Ciencias. Para construir su análogo utilizaron una fibra de cristal fotónico: una hebra de vidrio atravesada longitudinalmente por diminutos canales de aire que permiten controlar con gran precisión la velocidad y la dispersión de la luz.
Los investigadores introdujeron primero un pulso láser ultracorto y muy intenso, denominado pulso de bombeo. Debido al efecto Kerr, su intensidad modificó ligeramente el índice de refracción del vidrio. Esa perturbación avanzó por la fibra junto al pulso, actuando como una especie de corriente o barrera móvil para un segundo haz mucho más débil.
Cuando la velocidad de grupo de ese segundo pulso coincidió con la velocidad de la perturbación, apareció el equivalente óptico de un horizonte de sucesos. Las ondas situadas en uno de sus lados ya no podían propagarse con normalidad respecto a la barrera móvil. No había una singularidad, una gravedad descomunal ni materia colapsada, pero la ecuación que describía la propagación de las ondas era matemáticamente equivalente a la utilizada para estudiar campos cerca de un horizonte gravitatorio.
Una manera sencilla de imaginarlo es pensar en un nadador atrapado por una corriente. Mientras pueda avanzar más rápido que el agua, todavía será capaz de desplazarse en cualquier dirección. Cuando la corriente supera su velocidad máxima, queda arrastrado irremediablemente. En el experimento, la “corriente” era una modificación del índice de refracción creada por la propia luz.
Los investigadores buscaron en el ultravioleta al compañero de Hawking
La teoría de Hawking describe la radiación como la aparición de pares de partículas cerca del horizonte. Una puede escapar mientras su compañera queda asociada a una frecuencia negativa respecto al sistema en movimiento. En un agujero negro real, esta última contribuiría a reducir su energía.
En la fibra óptica, los investigadores enviaron pulsos de prueba con longitudes de onda comprendidas entre 1.100 y 1.600 nanómetros, dentro del infrarrojo. Después analizaron la luz de salida y buscaron en el ultravioleta las señales correspondientes a los llamados compañeros de Hawking. El experimento detectó esos fotones mediante un fotomultiplicador después de separar cuidadosamente el fondo generado por el propio pulso de bombeo.
Los espectros obtenidos mostraron los picos esperados y una caída térmica compatible con el comportamiento de la radiación de Hawking. Además, el equipo concluyó que la emisión no surgía de una larga cascada de conversiones ópticas, como se había propuesto anteriormente, sino de una interacción elemental y directa entre el bombeo y la señal de prueba.
Existe, sin embargo, un matiz fundamental. El experimento estudió radiación de Hawking estimulada, producida al introducir previamente luz en el sistema. No observó la emisión espontánea nacida del vacío cuántico que Hawking predijo para los agujeros negros reales. Los propios autores señalan que su señal conserva propiedades importantes (entre ellas la forma del espectro), pero permanece en un régimen esencialmente clásico y no permite medir el entrelazamiento cuántico entre las partículas.
La radiación dejó una huella sobre el sistema que la produjo
La gran novedad apareció al analizar el pulso de bombeo. Emitir radiación requiere energía y, por tanto, el sistema responsable de generarla debe experimentar algún cambio. En un agujero negro astrofísico, esa retroacción sería parte del proceso por el que perdería masa y acabaría evaporándose a lo largo de tiempos inmensos.
Dentro de la fibra, la energía no desapareció ni redujo la masa de ningún objeto. Parte de los fotones originales del bombeo fue redistribuida hacia frecuencias diferentes. Esa transferencia produjo una asimetría característica en las bandas laterales del espectro: sin retroacción habrían sido simétricas, mientras que en los datos aparecieron desplazadas de la manera predicha por el modelo.
Los autores interpretan esa asimetría como evidencia experimental de la retroacción de la radiación sobre el campo que la genera. El espectro de este efecto también presentó un comportamiento térmico y su intensidad siguió la dependencia esperada respecto a la potencia del pulso de prueba.
Aun así, el propio estudio reconoce una limitación relevante. El equipo no pudo realizar una exploración sistemática suficientemente amplia de todas las potencias del pulso, por lo que no puede excluir por completo que otras interacciones no lineales hayan contribuido a parte de la señal. La coincidencia con el modelo respalda la interpretación, pero no equivale a observar directamente la evaporación de un agujero negro.
La fibra óptica permitió explorar el problema transplanckiano
Uno de los grandes problemas asociados a la radiación de Hawking aparece cuando los físicos reconstruyen hacia atrás la trayectoria de las partículas que logran alejarse del horizonte. A medida que retroceden en el cálculo, sus longitudes de onda se vuelven cada vez más pequeñas hasta alcanzar valores inferiores a la longitud de Planck, situada alrededor de los (10^{-35}) metros.
En esas escalas extremas, las teorías actuales ya no pueden describir con fiabilidad el comportamiento del espacio y el tiempo. La relatividad general y la mecánica cuántica dejan de encajar, por lo que surge una pregunta fundamental: ¿depende la radiación de Hawking de procesos físicos que ocurren en un territorio donde nuestras ecuaciones dejan de funcionar?
El sistema de fibra óptica ofrece una forma de poner a prueba esa cuestión. Su estructura microscópica y sus propiedades de dispersión establecen un límite conocido que impide que las longitudes de onda se reduzcan indefinidamente. Pese a esa modificación de la física en las escalas más pequeñas del sistema, el experimento siguió generando un espectro térmico compatible con el comportamiento esperado para la radiación de Hawking.
El resultado respalda la idea de que este fenómeno podría ser robusto frente a cambios profundos en la física microscópica. No explica qué sucede realmente con el espacio-tiempo por debajo de la escala de Planck, pero muestra que la aparición de la radiación no parece depender de prolongar las ecuaciones hasta distancias infinitamente pequeñas.
El siguiente paso será llevar estos sistemas plenamente al régimen cuántico y buscar correlaciones o entrelazamiento entre la radiación y sus partículas compañeras. La fibra óptica no resuelve todavía el misterio de los agujeros negros, pero convierte una de las predicciones más difíciles de Stephen Hawking en un fenómeno capaz de producir señales medibles dentro de un laboratorio.
