Científicos logran extraer energía de agujeros negros en un experimento innovador

Más de 50 años atrás, el físico Roger Penrose propuso una idea sorprendente: bajo ciertas condiciones, sería posible extraer energía de un agujero negro que gira rápidamente. En su teoría, una partícula que ingresara a la ergosfera del agujero negro, una región donde el espacio-tiempo es arrastrado por la rotación del objeto, podría dividirse en dos. Un fragmento caería en el agujero negro mientras que el otro escaparía, llevando consigo más energía de la que tenía la partícula original. Posteriormente, el físico Yakov Zel'dovich amplió este concepto, prediciendo que las ondas que interactuaran con un objeto que rota lo suficientemente rápido también podrían ganar energía y amplificarse.

Recientemente, investigadores del Centro de Investigación Avanzada de CUNY llevaron a cabo un enfoque experimental inspirado en estas teorías. En un artículo publicado en la revista Nature, el equipo demostró que la amplificación de ondas puede lograrse utilizando un dispositivo que simula rotaciones extremas sin necesidad de rotar físicamente.

Rotación Sintética Recrea Física Extrema

En lugar de rotar un objeto mecánicamente, los investigadores construyeron un dispositivo de radiofrecuencia cuyas propiedades cambian rápidamente en el espacio y el tiempo. Este sistema ingeniosamente diseñado crea la ilusión de una rotación ultrarrápida, alcanzando velocidades rotacionales efectivas muy superiores a las que los sistemas mecánicos convencionales pueden lograr. Al reemplazar el movimiento físico por una rotación sintética, los investigadores superaron desafíos que han limitado los estudios experimentales de la física rotacional extrema durante décadas.

"Nuestro enfoque facilita un nuevo método de interacción onda-materia en el que las ondas con propiedades rotacionales seleccionadas extraen energía de una rotación sintética programada en el tiempo, produciendo una forma de amplificación selectiva de ancho de banda", afirmó Andrea Alù, profesor distinguido y profesor Einstein de Física en el Centro de Graduados de CUNY y director fundador de la Iniciativa de Fotónica del CUNY ASRC.

La autora principal Hadiseh Nasari, investigadora postdoctoral en la Iniciativa de Fotónica del CUNY ASRC, destacó que el experimento transforma un concepto teórico de larga data en una herramienta de investigación práctica.

"Este exitoso experimento mueve las ideas sobre la dinámica rotacional extrema de la teoría a la práctica y crea una plataforma experimental versátil para explorar una amplia gama de fenómenos en la intersección de la astrofísica, la física de ondas y la ciencia cuántica", comentó Nasari. "El trabajo tiene implicaciones para avances en ciencia fundamental y en comunicaciones, óptica y fotónica".

Cómo Funcionó el Experimento

Los investigadores se propusieron responder una pregunta fundamental: ¿podrían las ondas electromagnéticas que interactúan con un dispositivo completamente estacionario comportarse como si estuvieran encontrando un objeto rotando a velocidades ultrarrápidas y extraer energía de ese movimiento sintético?

Para investigar, construyeron un anillo de resonadores electrónicos cuyas propiedades se ajustaron rápidamente en una secuencia cuidadosamente sincronizada. Aunque el hardware nunca se movió, estos cambios temporales generaron un patrón viajero alrededor del anillo. Como resultado, las ondas electromagnéticas experimentaron efectivamente el sistema como si estuviera girando a una velocidad extraordinaria.

"Las ondas con las características rotacionales adecuadas extrajeron energía del sistema y se amplificaron, reproduciendo la física esencial del proceso de Penrose-Zel'dovich", explicó Hady Moussa, coautor del estudio y ex estudiante de doctorado en la Iniciativa de Fotónica del CUNY ASRC. "Nuestro enfoque se basa en metamateriales diseñados para controlar cómo se propagan las ondas".

Aplicaciones Potenciales Más Allá de la Física de Agujeros Negros

Debido a que la rotación sintética puede imitar movimientos más allá de la velocidad de la luz, los investigadores ahora cuentan con una plataforma de laboratorio controlada para explorar regímenes físicos que de otro modo serían imposibles de estudiar directamente. Este trabajo crea nuevas oportunidades para investigar la física extrema, al mismo tiempo que apunta hacia futuros avances en comunicaciones inalámbricas, óptica, fotónica y tecnologías cuánticas.

Los investigadores señalaron que se necesitarán más trabajos antes de que estas ideas puedan traducirse en dispositivos prácticos. También creen que los mismos principios podrían aplicarse a sistemas fotónicos y cuánticos, abriendo nuevas posibilidades para controlar la luz, procesar información y estudiar el comportamiento de las ondas inspiradas por algunos de los entornos más extremos del universo.

La investigación fue apoyada por el Departamento de Defensa de los EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Fundación Simons.