Hace un año, la representante de la Cámara de Representantes, Alexandria Ocasio-Cortez, de Nueva York y el Senador Edward J. Markey de Massachusetts, ambos demócratas, propusieron El Nuevo Trato Verde, una resolución no vinculante del Congreso que establece un gran plan para hacer frente al cambio climático, satisfaciendo el 100% de la demanda de energía en los Estados Unidos a través de fuentes de energía limpias, renovables y de cero emisiones.
Mientras que el futuro de la propuesta de energía limpia sigue siendo incierto, la mayoría de los estadounidenses han estado leyendo de la misma página con respecto a lo que hay que hacer: Reducir drásticamente la dependencia del país de los combustibles fósiles en las próximas dos décadas es fundamental para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y hacer frente al cambio climático, ya que seis de cada diez adultos estadounidenses dicen que estarían a favor de políticas con este objetivo energético. Afortunadamente, los científicos han estado investigando soluciones de energía alternativa como la energía eólica y solar durante décadas, incluyendo fuentes menos conocidas que pueden parecer un poco inusuales o incluso totalmente ridículas y poco realistas.
Se puede atribuir la explotación de energía de los agujeros negros a esta última categoría.
Hace cincuenta años, el físico matemático británico Roger Penrose propuso una idea aparentemente absurda de cómo una sociedad alienígena (o futuros humanos) podía cosechar energía de un agujero negro en rotación dejando caer un objeto justo fuera de su esfera de influencia, también conocida como la ergósfera, donde podía obtener energía negativa. Desde entonces, nadie ha sido capaz de verificar la viabilidad de esta idea aparentemente extraña hasta ahora.
Medio siglo después, los investigadores han demostrado finalmente que el Sr. Penrose estaba realmente en algo grande.
El proceso Penrose
Los agujeros negros han capturado la imaginación de los astrofísicos desde que se descubrió el primero en 1971 y por una buena razón. Después de todo, son algunos de los objetos más extraños y fascinantes del espacio exterior.
Los agujeros negros representan la etapa final del ciclo de vida de las estrellas tan masivas que, una vez que se convierten en supernovas, el núcleo ya no puede soportar su propia gravedad y colapsa totalmente en una singularidad: un único punto unidimensional de densidad infinita. Esta singularidad se encuentra dentro de una región llamada el horizonte de sucesos, el punto en el que la gravedad alrededor del agujero negro es tan fuerte, que ni siquiera la velocidad de la luz es suficiente para lograr la velocidad de escape.
En 1969, Roger Penrose propuso que, si un objeto se divide en dos y una parte cae en el agujero negro, la otra parte puede ser recuperada con más energía que el objeto original porque ha perdido la energía negativa, básicamente diciendo que un menos de un menos hace un más.
Dos años más tarde, el físico ruso Yakov Zel’dovich adaptó esta idea y la tradujo a otros sistemas rotativos que podríamos probar en la Tierra. Zel’dovich predijo que las ondas con momento angular, también conocidas como «ondas torcidas», reflejadas por un cilindro metálico en rotación serán amplificadas. El cilindro ve que estas ondas retorcidas se desplazan rotativamente en Doppler, es decir, que su frecuencia cambia dependiendo de la velocidad de rotación. Esto es similar al desplazamiento Doppler lineal, en el que el tono de una sirena de policía cambia a medida que pasa.
Si el cilindro de Zel’dovich gira lo suficientemente rápido, entonces algo muy extraño sucede. La frecuencia del desplazamiento Doppler se vuelve negativa. Estas ondas de frecuencia negativa solo nos parecen ondas de frecuencia positiva normales. Pero notablemente esto cambia la forma en que las ondas interactúan con el cilindro. El metal suele absorber las ondas. Pero cuando la frecuencia Doppler se vuelve negativa, la absorción se convierte en amplificación y la onda reflejada tiene más energía que cuando entró. Como en el caso de los alienígenas de Penrose y el agujero negro giratorio, las ondas retorcidas han tomado energía del cilindro absorbente giratorio.
Solo había un problema con la propuesta original de Zel’dovich: La velocidad del cilindro giratorio debe ser de al menos mil millones de rotaciones por segundo, más allá de lo que podemos lograr mecánicamente sin que las piezas centrífugas lo destrocen todo.
Así que no había manera de validar físicamente la teoría, hasta que un equipo de físicos de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow en Escocia llegó. Ellos idearon un experimento basado en el trabajo de Zel’dovich pero usaron ondas de sonido en lugar de ondas de luz. Las ondas sonoras son un millón de veces más lentas que las ondas de luz, lo que significa que el disco giratorio no necesita girar tan rápido.
Su experimento consistió en un anillo de altavoces preparado para introducir un giro en las ondas sonoras, análogo al giro de la luz en el experimento de Zel’dovich. Un absorbente de sonido giratorio hecho de un disco de espuma era análogo al agujero negro giratorio, cuya rotación se aceleraría al chocar las ondas sonoras. Utilizaron un anillo de altavoces para crear una onda sonora retorcida en el otro lado del disco y la dirigieron hacia un absorbente de sonido giratorio y colocaron micrófonos detrás de la espuma que también giran, para medir las ondas de desplazamiento Doppler que pasan a través del disco mientras gira. Podían reproducir el sonido grabado por los micrófonos a medida que aumentaba la velocidad de rotación.
Los resultados fueron nada menos que sorprendentes. A medida que la rotación del disco se aceleraba, el tono del sonido que golpeaba los micrófonos bajaba hasta que era inaudible, y luego comenzaba a subir de nuevo al tono original, pero un buen 30% más alto que el sonido proveniente de los altavoces. En esencia, las ondas sonoras estaban recogiendo energía adicional del disco giratorio.
Lo que realmente se oye es la frecuencia de la onda giratoria siendo el Doppler desplazado a cero, donde se vuelve demasiado baja para oír, luego se vuelve más fuerte de nuevo con el aumento de la frecuencia negativa.
Si se traza la amplitud de la señal de sonido de la onda retorcida, se observa que el sonido es claramente más fuerte después de que la frecuencia de Doppler ha pasado de positiva a negativa. En otras palabras, la amplitud de las ondas de frecuencia negativa es mucho mayor cuando el absorbente está girando.
El área sombreada en rojo es la región donde las ondas están tomando energía de la energía rotacional del absorbente. Este asombroso efecto de amplificación está en el corazón de la propuesta de Penrose de extraer energía de los agujeros negros y podría guiar nuevos experimentos hacia la amplificación de las ondas electromagnéticas, y quizás incluso las fluctuaciones cuánticas.
Obviamente, este experimento no verifica explícitamente que la idea de Penrose para la extracción de energía funcionará realmente para un agujero negro. Más bien, prueba algo que parece contrario a la intuición: Que cambiar las frecuencias de las ondas de positivo a negativo en realidad resulta en que las ondas ganen, en lugar de perder, energía.
Todavía estamos muy lejos de extraer energía de los agujeros negros en rotación. Aún así, el último experimento de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow proporciona una buena prueba de concepto que podría abrir nuevas y excitantes vías de exploración científica.
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