Es posible que los objetos más extremos del universo no existan. Los agujeros negros, esos monstruos de materia colapsada que anclan galaxias enteras y desvían la luz a su alrededor, tienen un problema en su núcleo, literalmente: un punto de densidad infinita donde las leyes de la física simplemente ceden. Ahora, dos físicos teóricos de Frankfurt han ideado una manera de que la naturaleza evite por completo esa vergüenza. Su respuesta involucra algo bastante sorprendente: un segundo Big Bang que se enciende dentro de una estrella moribunda.
La idea suena a ciencia ficción. Las matemáticas, publicadas esta semana en Physical Review D, dicen lo contrario.
Comencemos con lo que sucede cuando una estrella muy masiva se queda sin combustible. Durante miles de millones de años, la energía de la fusión nuclear empuja hacia afuera, manteniendo a la estrella contra su propia gravedad aplastante. Cuando se acaba el combustible, ese soporte desaparece y la estrella colapsa hacia adentro. Según la imagen estándar, nada puede detener la caída. La materia se comprime más allá del punto de no retorno, un horizonte de sucesos se cierra a su alrededor y todo se canaliza hacia una singularidad, un punto donde el espacio-tiempo se curva infinitamente y aproximadamente diez mil millones de masas solares (en los casos más extremos) pueden asentarse en algo más pequeño que un átomo.
Los físicos nunca se han sentido del todo cómodos con esto. Los infinitos en las ecuaciones suelen indicar que una teoría ha sido llevada más allá de sus límites, no que la naturaleza realmente se comporte de esa manera.
La estrella que se esconde a plena vista
Ingrese al gravastar, una alternativa hipotética propuesta por primera vez hace unos 25 años. Desde el exterior, una gravastar se vería casi exactamente como un agujero negro: casi tan compacto, casi tan masivo, oscuro porque la luz lucha por escapar de su feroz gravedad. En el interior, sin embargo, las cosas son muy diferentes. No hay singularidad ni horizonte de sucesos. En cambio, el objeto está lleno de energía oscura, la misma materia misteriosa que se cree que acelera la expansión de nuestro universo, que empuja hacia afuera y sostiene a la estrella contra el colapso. Una capa de materia ordinaria envuelve el exterior. Ordenado, en cierto modo. No se requieren infinitos.
El problema, y ha sido grave, es que nadie podría explicar cómo se formaría realmente algo así. Un cuarto de siglo de debate no produjo ningún mecanismo convincente.
Daniel Jampolski y Luciano Rezzolla de la Universidad Goethe de Frankfurt han encontrado uno, y no surgió de alguna modificación exótica de la gravedad sino de la relatividad general de Einstein, la misma teoría de 110 años de antigüedad que predice los agujeros negros en primer lugar. Jampolski descubrió la solución mientras trabajaba en su tesis de maestría bajo la supervisión de Rezzolla. Ambos modelaron el colapso de una esfera de materia, el escenario clásico de los libros de texto que los físicos han estudiado desde 1939, y descubrieron que, en condiciones finamente sintonizadas, sucede algo notable en el centro. Una pequeña burbuja de espacio-tiempo en expansión, lo que los cosmólogos llaman una región de De Sitter, se nuclea desde un tamaño cero justo en el medio de la materia que cae. Luego crece, impulsado por la energía oscura, de una manera no tan diferente del Big Bang que dio origen a nuestro propio universo hace unos 13.800 millones de años.
Una expansión que sabe cuándo dejar de fumar
Aquí está la parte genuinamente elegante. La expansión de este mini universo no se escapa. Se desacelera naturalmente a medida que se acerca al radio de Schwarzschild, el límite donde de otro modo se formaría un horizonte de sucesos, y allí se encuentra con la superficie en colapso de la estrella que viene en dirección contraria. Las dos fuerzas se equilibran. La expansión empuja hacia afuera, la gravedad atrae y el resultado es un equilibrio estático: una gravastar estable, congelada a punto de convertirse en un agujero negro pero que nunca se vuelca.
“El Big Bang del universo emergente puede desarrollarse una vez que la estrella ya haya colapsado hasta casi convertirse en un agujero negro”, explica Jampolski. La compresión extrema es el punto, considera, porque es precisamente ahí donde la física conocida se tambalea. “Es más fácil imaginar que el Big Bang ocurre sólo en una etapa muy tardía, cuando la materia ya ha sido comprimida hasta un grado extremo, dando lugar a nuevos efectos”.
Sin embargo, existen límites. El equipo descubrió que una estrella en colapso sólo puede tomar esta ruta de salida si su compacidad inicial se mantiene por debajo de un umbral matemático definido, un valor de exactamente 3/8. Si se aprieta más la configuración inicial, el colapso en un agujero negro se vuelve inevitable, sea mini Big Bang o no. Y es necesario ajustar las condiciones, lo que puede significar que tales objetos sean extremadamente raros, tal vez inexistentes, en el universo real.
Rezzolla, profesor de astrofísica teórica en la Universidad Goethe, tiene cuidado de no exagerar. “La búsqueda de alternativas a los agujeros negros no debería sugerir escepticismo hacia los agujeros negros, que siguen representando la solución más natural y sencilla al destino del colapso gravitacional”, afirma. Pero sostiene que lo exótico merece una audiencia justa junto con lo ortodoxo. “La historia nos enseña que no es raro que lo segundo se convierta en lo primero”.
Universos hasta el final
Si los gravastars existen, es extraño tener en cuenta las implicaciones. Cada objeto oscuro y ultracompacto que los astrónomos han catalogado, incluido el que se encuentra en el centro de la Vía Láctea, podría, en principio, esconder un pequeño cosmos en expansión detrás de su velo gravitacional. También invita a una pregunta incómoda en la otra dirección: si un universo puede nacer dentro de una estrella en colapso, ¿qué dice eso sobre los orígenes del nuestro?
Distinguir observacionalmente una gravastar de un agujero negro sería endiabladamente difícil, ya que ambos tragan luz con una eficiencia casi total, pero no necesariamente imposible; Algunos físicos sospechan que la ausencia de un verdadero horizonte de sucesos podría dejar huellas sutiles en las señales de ondas gravitacionales. La próxima generación de detectores puede llegar a plantear la pregunta. Por ahora, los monstruos guardan sus secretos.
Preguntas frecuentes
¿Qué es exactamente un gravastar?
Una gravastar es una hipotética estrella ultracompacta que parece casi idéntica a un agujero negro desde el exterior, pero no tiene singularidad ni horizonte de sucesos. Su interior está lleno de energía oscura, que empuja hacia afuera e impide el colapso total, mientras que una capa de materia ordinaria forma sus capas exteriores.
¿Cómo se formaría un gravastar, según el nuevo estudio?
Los físicos de Frankfurt demostraron que cuando una estrella masiva colapsa, una pequeña región de espacio-tiempo en expansión puede nuclearse en su centro, similar a un Big Bang en miniatura impulsado por energía oscura. Esta expansión se ralentiza cerca del posible horizonte de sucesos, se encuentra con la materia que cae y los dos se equilibran formando un objeto estable.
¿Significa esto que los agujeros negros no existen?
No. Los propios investigadores subrayan que los agujeros negros siguen siendo el resultado más simple y natural del colapso gravitacional. La solución gravastar requiere condiciones ajustadas y solo funciona por debajo de un umbral de compacidad específico, por lo que es una alternativa que vale la pena explorar en lugar de un reemplazo.
¿Podremos alguna vez distinguir un gravastar de un agujero negro?
Sería sumamente difícil, ya que ambos son oscuros y compactos. Sin embargo, debido a que una gravastar carece de un verdadero horizonte de sucesos, podría dejar firmas sutiles en las observaciones de ondas gravitacionales que los futuros detectores podrían detectar.
La investigación se publica en Physical Review D.
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