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El Santo Grial de la Energía Infinita: Cosecha de Agujeros Negros

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Earth 1Hace 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 Green New Deal , una resolución del Congreso no vinculante que establece un gran plan para abordar el cambio climático mediante la reunión del 100% de la demanda de energía en los Estados Unidos a través de fuentes de energía limpias, renovables y de cero emisiones. Si bien el futuro de la propuesta de energía limpia sigue siendo incierto, la mayoría de los estadounidenses han estado leyendo de la misma página sobre lo que se debe hacer: reducir drásticamente la dependencia del país de los combustibles fósiles durante las próximas dos décadas es fundamental para reducir los gases de efecto invernadero ( GEI) y abordar el cambio climático, y seis de cada 10 adultos estadounidenses dicen que favorecerían políticas con este objetivo energético.
 
Afortunadamente, los científicos han estado investigando soluciones de energía alternativa como la energía eólica y solar durante décadas, incluidas fuentes menos conocidas que pueden parecer un poco inusuales o incluso francamente ridículas y poco realistas.
 
Puede atribuir la recolección de energía de los agujeros negros a la última categoría.
 
Hace cincuenta años, el físico matemático británico Roger Penrose propuso una idea aparentemente absurda de cómo una sociedad extraterrestre (o futuros humanos) podría recolectar energía de un agujero negro en rotación dejando caer un objeto justo fuera de su esfera de influencia, también conocida como ergosfera, donde podría ganar energía negativa. Desde entonces, nadie ha podido verificar la viabilidad de esta idea aparentemente extraña, eso es hasta ahora .
 
Medio siglo después, los investigadores finalmente han demostrado que el Sr. Penrose realmente estaba en algo grande.
 
El proceso de 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 convierte en supernova, 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 horizonte de eventos, 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 alcanzar 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 se puede recuperar con más energía que el objeto original, porque ha perdido energía negativa, básicamente diciendo un menos de ¡un menos hace un plus!
 
Dos años después, el físico ruso Yakov Zel'dovich adaptó esta idea y la tradujo a otros sistemas rotativos que pudimos probar en la Tierra. Zel'dovich predijo que las ondas con momento angular, también conocidas como "ondas retorcidas", reflejadas por un cilindro metálico giratorio se amplificarán. El cilindro ve que estas ondas retorcidas se desplazan rotacionalmente por Doppler , es decir, su frecuencia cambia según la velocidad de rotación. Esto es similar al cambio Doppler lineal donde el tono de una sirena de policía cambia a medida que pasa a gran velocidad.
 
Si el cilindro de Zel'dovich gira lo suficientemente rápido, sucede algo muy extraño. La frecuencia de desplazamiento Doppler se vuelve negativa. Estas ondas de frecuencia negativa simplemente nos aparecen como ondas de frecuencia positivas normales. Pero esto cambia notablemente 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. Al igual que con los extraterrestres 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, mucho más allá de cualquier cosa que podamos lograr mecánicamente sin que las piezas centrífugas rompan todo.
 
Así que no había forma de validar físicamente la teoría, hasta que apareció un equipo de físicos de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Glasgow en Escocia. Idearon un experimento basado en el trabajo de Zel'dovich pero utilizaron ondas de sonido en lugar de ondas de luz. Las ondas de sonido 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 instalados para introducir un giro en las ondas sonoras, análogo a la luz retorcida en el experimento de Zel'dovich. Un absorbedor de sonido giratorio hecho de un disco de espuma era análogo al agujero negro giratorio, cuya rotación se aceleraba a medida que las ondas de sonido lo golpeaban. Utilizaron un anillo de parlantes para crear una onda de sonido retorcida en el otro lado del disco y la dirigieron hacia un absorbedor de sonido giratorio y colocaron micrófonos detrás de la espuma que también giran, para medir las ondas desplazadas Doppler que pasan a través del disco mientras se giros. Podrían reproducir el sonido grabado por los micrófonos a medida que aumenta la velocidad de rotación.
 
 
Los resultados fueron sorprendentes. A medida que se aceleraba la rotación del disco, el tono del sonido que golpeaba los micrófonos bajó hasta ser inaudible, luego comenzó a subir nuevamente al tono original, pero un 30% más alto que el sonido que provenía de los altavoces. En esencia, las ondas sonoras estaban recogiendo energía adicional del disco giratorio.
 
Lo que realmente oye es la frecuencia de la onda Retorcida bajo el efecto Doppler que se desplaza  a cero, donde se vuelve demasiado baja para escucharla, luego se vuelve más fuerte de nuevo al aumentar la frecuencia negativa.
 
 
Si traza la amplitud de la señal de sonido de la onda retorcida, notará que el sonido es claramente más fuerte después de que la frecuencia Doppler haya pasado de positivo a negativo. En otras palabras, la amplitud de las ondas de frecuencia negativa es mucho mayor cuando el absorbedor está girando,
 
El área sombreada en rojo es la región donde las ondas toman energía de la energía rotacional del absorbedor. Este asombroso efecto de amplificación se encuentra en el corazón de la propuesta de Penrose de extraer energía de los agujeros negros y podría orientar nuevos experimentos hacia la amplificación de ondas electromagnéticas, y tal vez incluso fluctuaciones cuánticas.
 
Obviamente, este experimento no verifica explícitamente que la idea de Penrose para la extracción de energía realmente funcione para un agujero negro. Más bien, demuestra algo que parece contrario a la intuición: que cambiar las frecuencias de onda de positivo a negativo en realidad da como resultado 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 emocionantes vías de exploración científica.
 
Por Alex Kimani para Oilprice.com