Las supercomputadoras solían ser la única manera de descubrir qué sucede cuando dos agujeros negros chocan. Se necesita una enorme potencia de procesamiento para resolver las ecuaciones de Einstein. Las matemáticas se vuelven pesadas. El giro se complica. Es una pesadilla para cualquiera que no viva dentro de un rack de servidores.
¿Ahora? Los físicos de Penn State dicen que no se necesita todo eso. Sólo necesitas termodinámica.
Suena ridículo. Los agujeros negros son pozos de gravedad, no motores. No son vapor ni gas. No deberían obedecer las leyes del calor. Pero lo hacen. O al menos actúan como lo hacen. Un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters sugiere que la masa final y el giro de un remanente de agujero negro siguen una regla sorprendentemente simple. Máxima entropía.
¿Puedes predecir la fusión de un agujero negro con física simple?
Dos agujeros negros en órbita no permanecen separados. La gravedad los aprieta más. Entran en espiral. Luego chocan. Es un evento energético. Deforma el espacio-tiempo. Envía ondas gravitacionales que se extienden a lo largo de miles de millones de años luz.
Los detectores terrestres captan esas ondas. Escuchamos el choque. La señal nos permite estimar el tamaño del agujero negro restante. El remanente.
Por lo general, obtener una predicción precisa requiere ejecutar simulaciones complejas. Resolver ecuaciones diferenciales hasta que te dé vueltas la cabeza. El equipo de Penn State hizo una pregunta diferente. ¿Podemos saltarnos la supercomputadora? ¿Podemos utilizar principios termodinámicos básicos para predecir el resultado?
Mónica Rincón-Ramírez, la primera autora del estudio, lo expresa de esta manera:
“El último agujero negro después de una fusión suena como una campana e irradia más ondas gravitacionales hasta que se asienta… La pregunta que nos hicimos es: ¿Podemos predecir cuál será ese estado final usando argumentos de la termodinámica?”
Se trata del cómo. ¿Cómo decide la naturaleza lo que queda después de que se asiente el polvo?
Entropía, desorden y estado final
La termodinámica generalmente se ocupa de los gases. Motores. Cocinando. Muchas partículas moviéndose. Describe la energía, el calor y la entropía a gran escala. No rastreamos cada molécula. Miramos el panorama general.
La relatividad general lo hace de manera diferente. Trata la gravedad como un espacio-tiempo curvo. Determinista. Una entrada, una salida. Sin aleatoriedad. Alguna vez se pensó que los agujeros negros estaban completamente fuera de la termodinámica. Eso cambió en la década de 1970, cuando Stephen Hawking demostró que irradian energía. Tienen entropía.
Los investigadores de Penn State ampliaron esto. Observaron sistemas binarios de agujeros negros. Fusiones. Específicamente, observaron el momento angular. Mide el movimiento de rotación. Las fusiones pierden energía y momento angular debido a las ondas gravitacionales.
Entonces, ¿qué queda?
Vaishak Prasad, coautor, explica claramente la entropía:
“La entropía es esencialmente una medida de desorden… Una habitación desordenada tiene alta entropía… Una habitación perfectamente ordenada tiene baja entropía… La naturaleza tiende a derivar hacia estados de alta entropía porque hay más de ellos”.
Los investigadores plantean la hipótesis de que la fusión hace lo mismo. El sistema se desplaza hacia el estado con la mayor entropía posible. El arreglo más probable. Una vez que tengas en cuenta la energía perdida y gira.
Es una “conjetura de máxima entropía”.
Coincidencia de simulaciones sin el código
La idea no es nueva en teoría. Refleja cómo predecimos el estado final de la mezcla de gases fríos y calientes. No se rastrea cada colisión. Maximizas la entropía. Obtienes la respuesta.
El equipo se preguntó si se aplica la misma lógica a los agujeros negros.
Lo probaron. Mapearon la masa y el momento angular de los agujeros negros fusionados en una secuencia de posibles restos en rotación. Luego encontraron el punto máximo de entropía en esa secuencia. Finalmente, lo compararon con los resultados de simulaciones de relatividad numérica. Esas simulaciones son el estándar de oro. Caro. Pérdida de tiempo. Preciso.
El partido fue llamativo.
“Sorprendentemente, observamos que la entropía de esta secuencia alcanza un máximo en puntos sorprendentemente cercanos a la masa y al momento angular del remanente final real… concordancia dentro de unos pocos por ciento”, señaló Rincón-Ramírez.
No es sólo una aproximación. Está dentro de un pequeño porcentaje de la compleja simulación. Esto es impresionante para una regla tan simple.
Eugenio Bianchi, profesor y coautor, destaca el contraste:
“Cuando dos gases calientes se ponen en contacto… no es necesario rastrear la interacción microscópica… Maximizar la entropía, al tiempo que tiene en cuenta otras leyes físicas, predice el resultado. Nuestra nueva conjetura propone que la misma regla amplia podría determinar lo que queda cuando dos agujeros negros se combinan”.
Por qué esto es importante para la física de los agujeros negros
El último agujero negro olvida casi todo lo relacionado con la colisión. Casi no conserva ningún recuerdo de la caótica fusión. Lo que queda se describe con sólo dos números. Masa y giro. El “teorema de la falta de pelo”.
Pero ¿por qué esas cifras específicas? ¿Por qué no otra combinación?
El enfoque termodinámico ofrece una respuesta. El remanente se asienta en el estado que maximiza la entropía. Es el resultado más natural y probable.
BS Sathyaprakash, quien dirigió la investigación, ve esto como algo más que un simple atajo.
“Este trabajo explora posibilidades sorprendentes en la intersección de la gravedad, la física de los agujeros negros y la termodinámica… plantea una pregunta transformadora: ¿Podría la maximización de la entropía ser un principio organizativo fundamental que gobierne las interacciones de los agujeros negros?”
Va más allá de las leyes establecidas de la mecánica de los agujeros negros. Sugiere una conexión más profunda entre la gravedad y la termodinámica. Uno que podría aplicarse a algo más que fusiones.
La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. apoyó la investigación. Los hallazgos aparecieron en Physical Review Letters como sugerencia del editor.
Es una visión más limpia de un universo desordenado. No necesitamos simular cada átomo del espacio-tiempo. Sólo necesitamos ver dónde se asienta el desorden.
¿Pero significa esto que todos los eventos cósmicos siguen caminos termodinámicos simples? ¿O son los agujeros negros lo suficientemente únicos como para burlar la regla? Quizás nunca lo sepamos con seguridad. El universo no siempre se explica a sí mismo.
