Ciertos fenómenos que ocurren en los agujeros negros pero que no pueden observarse directamente en las investigaciones astronómicas pueden estudiarse mediante una simulación de laboratorio. Esto es posible debido a una peculiar analogía entre los procesos característicos de los agujeros negros y los procesos hidrodinámicos. El denominador común es la similitud de la propagación de ondas en ambos casos.

Esta posibilidad se explora en un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física . El físico Maurício Richartz, profesor de la Universidad Federal de la ABC (UFABC) en Brasil, es uno de los autores del artículo, producido por el grupo de Silke Weinfurtner en la Facultad de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido. La investigación contó con el apoyo de la FAPESP a través del Proyecto Temático "Física y geometría del espacio-tiempo, "de la que Alberto Vázquez Saa es el investigador principal.

"Si bien este estudio es completamente teórico, también hemos realizado simulaciones experimentales en el laboratorio de Weinfurtner, Richartz dijo a Agência FAPESP:“El aparato consiste básicamente en un gran tanque de agua de 3 metros por 1,5 metros. El agua fluye a través de un desagüe central y se bombea de nuevo, de modo que el sistema alcanza un punto de equilibrio en el que la cantidad de entrada es igual a la cantidad de salida. Simulamos un agujero negro de esta manera ".

Proporcionó más detalles para explicar cómo se hizo esto. "El flujo de agua se acelera a medida que se acerca al desagüe. Cuando producimos ondas en la superficie del agua, obtenemos dos velocidades importantes:la velocidad de propagación de la onda y la velocidad del flujo total de agua, " él dijo.

"Lejos del desagüe, la velocidad de la onda es mucho más alta que la velocidad del fluido, por lo que las ondas pueden propagarse en cualquier dirección. La situación es diferente cerca del desagüe, sin embargo. La velocidad del fluido es mucho más alta que la velocidad de la onda, por lo que las olas son arrastradas por el flujo de agua incluso cuando se propagan en la dirección opuesta. Así es como se puede simular un agujero negro en el laboratorio ".

En un agujero negro astrofísico real, su atracción gravitacional captura la materia y evita que se escapen ondas de cualquier tipo, incluyendo ondas de luz. En el simulacro hidrodinámico, las ondas en la superficie del fluido no pueden escapar del vórtice que se forma.

En 1981, El físico canadiense William Unruh descubrió que la similitud entre los dos procesos, un agujero negro y un simulacro hidrodinámico, era más que una mera analogía. Con algunas simplificaciones, las ecuaciones que describen la propagación de una onda en las proximidades de un agujero negro son idénticas a las que describen la propagación de una onda en el agua que fluye por un desagüe.

Esto legitima el uso de procesos hidrodinámicos para investigar los fenómenos típicos de los agujeros negros. En el nuevo estudio, Richartz y colaboradores analizaron el proceso de relajación (ringdown) en un simulacro hidrodinámico de un agujero negro fuera de equilibrio, teniendo en cuenta factores previamente ignorados. En ciertos sentidos, el fenómeno que estudiaron es similar al proceso de ringdown en un agujero negro astrofísico real que genera ondas gravitacionales después de haber sido creado por una colisión con otros dos agujeros negros.

"Un análisis cuidadoso del espectro ringdown revela las propiedades del agujero negro, como su momento angular y masa. En sistemas gravitacionales más complejos, el espectro podría depender de más parámetros […] ", los autores escriben en el artículo publicado en Physical Review Letters.

Vorticidad

La vorticidad se pasa por alto en los modelos más simples, pero se considera en este estudio. Es un concepto clave en mecánica de fluidos que cuantifica la rotación de regiones específicas de un fluido en movimiento.

Si la vorticidad es nula, la región simplemente acompaña el movimiento del fluido. Sin embargo, si la vorticidad no es nula, además de acompañar el flujo, también gira alrededor de su propio centro de masa.

"En los modelos más simples, generalmente se asume que la vorticidad del fluido es igual a cero. Ésta es una buena aproximación para las regiones del fluido ubicadas a una distancia del vórtice. Para regiones cercanas al desagüe, sin embargo, no es una aproximación tan buena porque en este caso la vorticidad se vuelve cada vez más importante. Entonces, una de las cosas que hicimos en nuestro estudio fue incorporar la vorticidad, "Dijo Richartz.

Los investigadores se propusieron comprender cómo la vorticidad influye en la amortiguación de las ondas durante la propagación. Cuando se perturba un agujero negro real, genera ondas gravitacionales que oscilan a una determinada frecuencia. Su amplitud disminuye exponencialmente con el tiempo. El conjunto de resonancias amortiguadas que describe cómo el sistema excitado vuelve al equilibrio se caracteriza técnicamente por un espectro de modos de oscilación casi normales.

"En nuestro estudio, Investigamos cómo la vorticidad influyó en los modos cuasi normales en el análogo hidrodinámico del agujero negro. Nuestro principal hallazgo fue que algunas oscilaciones decayeron muy lentamente, o en otras palabras, permaneció activo durante mucho tiempo, y se ubicaron espacialmente en las proximidades del desagüe. Estas oscilaciones ya no eran modos cuasi normales, pero un patrón diferente conocido como estados cuasi ligados, "Dijo Richartz.

Un desarrollo futuro de la investigación implicará producir estos estados cuasi ligados experimentalmente en el laboratorio.