En los últimos años, los agujeros negros han pasado de ser posibilidades exóticas altamente teóricas a ser objetos astrofísicos bien observados. La evidencia observacional proviene de fuentes como la primera observación de ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por colisiones de agujeros negros y la primera imagen de un agujero negro publicada en 2019.
Los agujeros negros están previstos por la teoría de la relatividad general de Einstein, que describe el universo en la escala más grande. Pero estos objetos también deben distorsionar el espacio-tiempo en la escala más pequeña, lo que significa que los agujeros negros también deben tener propiedades cuánticas interesantes. El desafío para los teóricos es encontrar formas de unir las dispares teorías de la relatividad y la mecánica cuántica en una teoría de la gravedad cuántica de “bucles” que prediga correctamente las observaciones.
Y estos teóricos han estado muy ocupados. Durante la última década, han desarrollado una comprensión teórica cada vez más sofisticada de los agujeros negros que podría explicar algunos de los mayores misterios de la cosmología.
Ahora, el físico y divulgador científico Carlo Rovelli y Francesca Vidotto, ambos de la Universidad Western en Canadá, analizan este avance y destacan algunas de sus asombrosas conclusiones. El nuevo trabajo sugiere que cuando los agujeros negros mueren, se convierten en agujeros blancos. Que miles de diminutos agujeros blancos podrían estar pasando por la Tierra en cualquier momento. Y que estos objetos son un candidato ideal para la materia oscura que los cosmólogos creen que llena el universo pero que nunca han observado directamente.
Agujeros blancos
Los astrofísicos han creído durante mucho tiempo que los agujeros negros no pueden ser grandes objetos estáticos que permanecen inalterados a lo largo de la vida del universo. En cambio, su trabajo sugiere que los agujeros negros evolucionan. Ahora, el trabajo de los teóricos con la gravedad cuántica de bucles ha puesto de relieve los detalles de esta evolución.
Para empezar, los agujeros negros se evaporan gradualmente emitiendo radiación de Hawking. Esto hace que el horizonte del agujero negro se reduzca, mientras que el volumen del interior no lo hace. “Esto implica que un agujero negro evaporado antiguo tiene un horizonte pequeño pero un volumen interno enorme”, dicen Rovelli y Vidotto.
Esta contracción continúa hasta que el agujero alcanza el tamaño más pequeño posible en la escala de Planck. En este punto, la densidad de energía cuántica se vuelve lo suficientemente grande como para resistir una contracción mayor. El agujero rebota y experimenta un extraño cambio de personalidad cuántica. “Al final de la evaporación, un agujero negro experimenta una transición cuántica a un agujero blanco con un horizonte de tamaño planckiano y un vasto interior”, dicen los investigadores.
Esto es lo que los cosmólogos llaman un “remanente” de un agujero negro y comprender las propiedades de estos remanentes ha sido una parte importante de su trabajo.
Los agujeros blancos se han estudiado desde hace tiempo. Al igual que los agujeros negros, son soluciones legítimas a las ecuaciones de campo de Einstein. “Un espacio-tiempo de agujero blanco es simplemente la inversión temporal de un espacio-tiempo de agujero negro”, afirman Rovelli y Vidotto.
Y, al igual que los agujeros negros, no se pensaba que los agujeros blancos tuvieran un papel importante en el universo. Esta visión ahora debe cambiar, dicen Rovelli y Vidotto, tal como sucedió con los agujeros negros, porque ambos están intrínsecamente vinculados.
Un posible obstáculo siempre ha sido que las soluciones que dan lugar a los agujeros blancos son inestables. Pero Rovelli y Vidotto señalan que cualquier inestabilidad debería conducir a la formación de una superposición de agujeros blancos y negros que sea estable.
De todos modos, la diferencia es en gran medida académica. Para un observador casual, un agujero blanco es indistinguible de un agujero negro. Lo único que difiere es su pasado y su futuro, aunque de una manera que resulta inaccesible para la mayoría de los observadores.
Una pregunta importante es cuánto duran los remanentes. Rovelli y Vidotto señalan que, en el caso del remanente en sí, el proceso de disipación total debe ocurrir muy rápidamente. Pero la dilatación del tiempo significa que, para un observador distante, podría durar toda la vida del universo.
“El tiempo se ralentiza cerca de masas de alta densidad”, afirman los investigadores. “Un observador (capaz de resistir las fuerzas de marea) que se posa en una distribución de materia de Planck se encontrará casi inmediatamente en un futuro lejano, en el momento en que el agujero negro termina su evaporación”. En otras palabras: “Un agujero negro es un atajo hacia un futuro lejano”, afirman.
Si todo esto es cierto, el universo debería estar lleno de restos de agujeros negros (o agujeros blancos), y su masa debería tener un efecto gravitacional sobre toda la materia visible del universo. Por eso los restos son buenos candidatos para ser materia oscura.
“Los remanentes son un candidato a materia oscura que no requiere suposiciones exóticas sobre nuevas fuerzas o partículas o correcciones a las ecuaciones de Einstein, o física más allá del modelo estándar”, dicen Rovelli y Vidotto. “Solo requiere la relatividad general y la teoría cuántica para mantenerse unidas”.
Detector cuántico
Pero estas partículas serán muy difíciles de detectar porque la gravedad es una fuerza muy pequeña en esta escala diminuta. Sin embargo, Rovelli y Vidotto dicen que puede haber una manera.
La idea es crear una masa que exista en dos lugares diferentes al mismo tiempo en una superposición cuántica de ambos estados. Luego, cuando un remanente pase volando, interactuará a través de la gravedad con más fuerza con la masa más cercana, lo que hará que la superposición cambie de carácter. Detectar este cambio sería una señal de que una partícula de materia oscura ha pasado por allí.
Aún queda por decidir si esto indicaría de manera única la presencia de un remanente de agujero negro, pero lo importante es que este tipo de experimento está cerca de ser posible hoy en día.
Todo esto hace que sea un campo de la física apasionante, que probablemente cambie a medida que los físicos recopilen observaciones más detalladas de colisiones de agujeros negros y otros fenómenos de gravedad cuántica. Así que estén atentos: los agujeros negros, los agujeros blancos y las estrellas de Planck están destinados a convertirse en las cosas más interesantes de la astrofísica (¡como si alguna vez fueran otra cosa!).
Ref: Estrellas de Planck, agujeros blancos, remanentes y cuasipartículas con masa de Planck: arxiv.org/abs/2407.09584