Un equipo de científicos ha desarrollado una receta para agujeros negros que elimina uno de los aspectos más preocupantes de la física: la singularidad central, el punto en el que todas nuestras teorías, leyes y modelos se rompen.
Si iba a diseñar un objeto para preservar el misterio mientras era completamente preocupante, no podría hacerlo mucho mejor que un agujero negro.
Primero, el límite exterior de estos titanes cósmicos es una superficie de captura de luz unidireccional llamada horizonte de eventosel punto en el que la gravedad de un agujero negro es tan poderoso que ni siquiera la luz puede escapar. Esto significa que ninguna información puede escapar de un agujero negro, por lo que nunca podemos observar o medir directamente lo que se encuentra en su corazón.
Utilizando las matemáticas de la teoría de la gravedad de Einstein de 1915, llamada relatividad generallos científicos pueden modelar el interior de un agujero negro. El problema es que, cuando hacen esto, la relatividad general nos dice que todos los valores matemáticos van al infinito en la “singularidad” en el corazón de un agujero negro.
Esta nueva investigación sugiere que los “agujeros negros ordinarios” sin una singularidad central, la física equivalente a tener su pastel y comerlo, puede ser más que el sueño de la fiebre de los físicos esperanzados.
“La singularidad es la parte más misteriosa y problemática de un agujero negro. Es donde nuestros conceptos de Espacio y tiempo Literalmente, ya no tiene sentido, “el miembro del equipo de estudio Robie Hennigar, investigador de la Universidad de Durham en Inglaterra, dijo a Space.com”. Si los agujeros negros no tienen singularidades, entonces son mucho más ordinarios “.
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Mentalidad de singularidad: los físicos quieren una cosa
La teoría de la relatividad general de Einstein establece que los objetos con masa curvan el tejido mismo del espacio-tiempo (las tres dimensiones del espacio unido con la única dimensión del tiempo), y la gravedad surge de esta curvatura. Cuanto mayor es la masa, más extrema es la curvatura del espacio-tiempo y más fuerte es la influencia de la gravedad. Todo esto se calcula con las ecuaciones que sustentan la relatividad general: Las ecuaciones de campo de Einstein.
“La forma en que las curvas de espacio-tiempo están determinadas por las ecuaciones de campo de Einstein, que son la piedra angular de la relatividad general”, dijo el miembro del equipo Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) en España, le dijo a Space.com.
“Estas ecuaciones son extremadamente exitosas, ya que predicen una gran cantidad de fenómenos observables en el cosmos, del Moción de planetas a la evolución de el universo y la existencia de agujeros negros “, agregó.” Pero también predicen la existencia de singularidades, y esto es problemático “.
Holeros negros-regiones del espacio-tiempo con curvatura extrema-Primero surgió como concepto de soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein sugeridas por el físico y astrónomo alemán Karl Schwartzchild mientras sirvió en la línea del frente durante la Primera Guerra Mundial en 1915. Estas soluciones van al infinito en el centro de esa región. A los físicos no les gustan los infinitos, ya que indican el desglose o la incompletitud de sus modelos, o sugieren algo completamente poco físico. Eso significa algo realmente preocupante e indeseable para los físicos.
“En la relatividad general, el interior de un agujero negro es como un universo contratante, donde la singularidad representa el momento en que el espacio en sí se derrumba”, dijo Molina-Niñirola.
Molina-Niñirola agregó que muchos físicos creen que, cuando la gravedad se vuelve excepcionalmente fuerte y el espacio-tiempo está altamente deformado, la relatividad general debe ser reemplazada por una teoría más fundamental. Se ha presumido que esta sería una teoría de gravedad cuántica conduciendo a una “teoría de todo” que uniría las teorías incompatibles de la relatividad general y Física cuántica.
“La esperanza es que, en esta teoría completa, se eliminarán las singularidades del agujero negro”, dijo Molina-Niñirola. “Ahora, nuestra receta de agujeros negros regulares va con precisión en esta dirección, pero en lugar de usar una teoría completa de la gravedad cuántica, usamos algo llamado ‘teoría efectiva’. Este es un Teoría clásica de la gravedad Se supone que captura los efectos de una teoría supuesta de la gravedad cuántica “.
Esto equivale al equipo que modifica las ecuaciones de campo de Einstein para que la gravedad se comporte de manera diferente cuando el espacio-tiempo es altamente curvo. En última instancia, esto lleva a la eliminación de las singularidades centrales de los agujeros negros.
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Gravedad cuántica y otros problemas
Esta teoría recientemente modificada sugiere que no hay singularidad en el corazón de un agujero negro. Entonces, ¿qué existe en este reino extremo y exótico?
“En nuestro modelo, el colapso del espacio-tiempo se detiene, y la singularidad se reemplaza por una región estática altamente deformada que se encuentra en el núcleo del agujero negro”, dijo Molina-Niñirola. “Esta región es estática porque no se contrae. Eso significa que un observador podría permanecer hipotéticamente allí, suponiendo que pudieron sobrevivir a las grandes, pero finitas y finitas fuerzas gravitacionales en esta región”.
Además del espacio-tiempo curvo, ¿qué más habita en el corazón de los agujeros negros, si esta teoría es correcta? Según Hennigar, estrictamente hablando, nada.
“Estos agujeros negros son puro vacío en todas partes; no es necesario que haya materia presente, pero uno puede incluirlo fácilmente si lo desea”, continuó el investigador de la Universidad de Durham. “Puede sonar extraño tener un agujero negro en ausencia de la materia, pero lo mismo puede suceder incluso en la relatividad general”.
Incluso si el concepto de agujero negro del equipo fuera verificado, probablemente no detendría la búsqueda de un modelo válido de gravedad cuántica y una teoría de todo.
“En cierto sentido, este es un problema que no se puede evitar. Estrellas están colapsando todo el tiempo en nuestro universo; Es un proceso físico inevitable. Pero esta ocurrencia común es algo que nos empuja más allá de todo lo que sabemos “, continuó Hennigar”. En las etapas finales del colapso, justo antes de que uno alcance la singularidad, tanto la gravedad como los efectos cuánticos serán importantes.
“Así que ya sabemos que las conclusiones que uno sacarían de la relatividad general sola son insuficientes para describir un lugar/momento tan extremo”.
¿Perder la singularidad significa perder el misterio? No exactamente…
Si es correcto, esta investigación puede tener agujeros negros algo desmitificados, pero abre muchas preguntas que aún tendrán que ser respondidas.
“Nuestro trabajo proporciona respuestas a algunos misterios, pero abre otros”, dijo Molina-Niñirola. “Por ejemplo, según nuestro modelo, y otras propuestas en la literatura científica, la materia que cae dentro de un agujero negro regular finalmente saldría del agujero negro a través de un agujero ubicado en un universo diferente o en una región desconectada del mismo universo.
“Esto se ve muy exótico, pero es la única posibilidad si las singularidades no existen: todo lo que entra en un agujero negro eventualmente debe salir de él”.
El investigador agregó que este proceso implica problemas propios, que también deben investigarse para evaluar la solidez de la idea del equipo.
La gran pregunta es si los científicos podrían encontrar evidencia de esta teoría de Observaciones de agujeros negros; Después de todo, sabemos que no podemos simplemente mirar sus interiores.
“Es difícil decirlo, ya que los efectos que conducen a la resolución de singularidad solo pueden ser observables en regímenes de gravedad extremadamente fuerte, probablemente mucho más fuerte de lo que podemos esperar observar”, dijo Molina-Niñirola. “Sin embargo, hay algunos experimentos que pueden ofrecernos algunas posibilidades”.
Molina-Niñirola explicó que la observación de las ondas en el espacio-tiempo llamado olas gravitacionales Permite a los astrónomos observar campos gravitacionales mucho más fuertes que nunca. Esto brinda a los científicos una oportunidad única de tratar de detectar efectos más allá de la relatividad general, incluidas aquellos que pueden conducir a la resolución de singularidad.
Además, si la teoría del equipo es correcta, debería haber una impronta reveladora en el universo muy temprano, durante la era de la inflación cósmica justo después del Big Bang.
“En este sentido, la detección de un primordial, fondo de onda gravitacional -que aún no se ha detectado, podría proporcionar sugerencias sobre posibles modificaciones de la gravedad “, dijo Molina-Niñirola.” Finalmente, una consecuencia de la ausencia de singularidades es que el producto final de la evaporación de agujeros negros Radiación de Hawking sería un agujero negro microscópico.
“Estos agujeros negros microscópicos proporcionar un posible materia oscura candidato. Por lo tanto, si la materia oscura resultó estar compuesta por pequeños agujeros negros, esta sería una prueba indirecta a favor de la ausencia de singularidades “.
La investigación del equipo fue publicada en la revista Physics Letters B en febrero de 2025.