Ilustración de un agujero negro agitando el espaciotiempo a su alrededor.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Un equipo de científicos ha desarrollado una receta para los agujeros negros que elimina uno de los aspectos más inquietantes de la física: la singularidad central, el punto en el que todas nuestras teorías, leyes y modelos se hacen añicos.
Si se quisiera diseñar un objeto que preservara el misterio a la vez que fuera absolutamente inquietante, no se podría hacer mucho mejor que un agujero negro.
En primer lugar, el límite exterior de estos titanes cósmicos es una superficie unidireccional que atrapa la luz llamada horizonte de sucesos, el punto en el que la gravedad de un agujero negro es tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar. Esto significa que ninguna información puede escapar del interior de un agujero negro, por lo que nunca podremos observar o medir directamente lo que hay en su corazón.
Utilizando las matemáticas de la teoría de la gravedad de Einstein de 1915, llamada relatividad general, los científicos pueden modelizar 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» situada en el corazón de un agujero negro.
Esta nueva investigación sugiere que los «agujeros negros ordinarios» sin singularidad central -el equivalente físico de tener el pastel y comérselo- pueden ser algo más que el sueño febril de físicos esperanzados.
«La singularidad es la parte más misteriosa y problemática de un agujero negro. Es donde nuestros conceptos de espacio y tiempo dejan literalmente de tener sentido», explica a universeexpedition.com Robie Hennigar, miembro del equipo de estudio e investigador de la Universidad de Durham (Inglaterra). «Si los agujeros negros no tienen singularidades, entonces son mucho más ordinarios».
Singularity-minded: Los físicos quieren una sola cosa
La teoría de la relatividad general de Einstein afirma que los objetos con masa curvan el propio tejido del espacio-tiempo (las tres dimensiones del espacio unidas a la dimensión única 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 se curva el espacio-tiempo viene determinada por las ecuaciones de campo de Einstein, que son la piedra angular de la relatividad general», explica a universeexpedition.com Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola, miembro del equipo y miembro del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) en España.
«Estas ecuaciones son extremadamente exitosas, ya que predicen una plétora de fenómenos observables en el cosmos, desde el movimiento de los planetas hasta la evolución del universo y la existencia de agujeros negros», añadió. «Los agujeros negros -regiones del espacio-tiempo con una curvatura extrema- surgieron por primera vez como concepto a partir de las soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein sugeridas por el físico y astrónomo alemán Karl Schwartzchild mientras servía en el frente durante la Primera Guerra Mundial en 1915. Estas soluciones llegan hasta el infinito en el centro de esa región. A los físicos no les gustan los infinitos, ya que indican la ruptura o el carácter incompleto de sus modelos, o sugieren algo completamente no físico. Eso significa algo realmente preocupante e indeseable para los físicos.
«En relatividad general, el interior de un agujero negro es como un universo en contracción, donde la singularidad representa el momento en que el propio espacio colapsa», dijo Molina-Niñirola.
Una presentación de las ecuaciones de campo de Einstein pintada como mural en la pared del Rijksmuseum Boerhaave de Leiden (Países Bajos). Fotografía tomada en julio de 2022. (Crédito de la imagen: Robert Lea)
Molina-Niñirola añadió que muchos físicos creen que, cuando la gravedad se vuelve excepcionalmente fuerte y el espacio-tiempo está muy deformado, la relatividad general debe ser reemplazada por una teoría más fundamental. Se ha supuesto que se trataría de una teoría de la gravedad cuántica que conduciría a una «teoría del todo» que uniría las teorías hasta ahora incompatibles de la relatividad general y la física cuántica.
«La esperanza es que, en esta teoría completa, se eliminen las singularidades de los agujeros negros», dijo Molina-Niñirola. «Ahora, nuestra receta para los agujeros negros regulares va precisamente en esta dirección, pero en lugar de utilizar una teoría completa de la gravedad cuántica, usamos algo llamado ‘teoría efectiva’. Se trata de una teoría clásica de la gravedad que se supone que captura los efectos de una supuesta teoría de la gravedad cuántica.»
Esto significa que el equipo modifica las ecuaciones de campo de Einstein para que la gravedad se comporte de forma diferente cuando el espacio-tiempo está muy curvado. En última instancia, esto conduce a la eliminación de las singularidades centrales de los agujeros negros.
La gravedad cuántica y otros problemas
Esta teoría recién 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 es sustituida por una región estática muy deformada que se encuentra en el núcleo del agujero negro», explica Molina-Niñirola. «Esta región es estática porque no se contrae. Eso significa que un observador podría hipotéticamente permanecer allí, suponiendo que fuera capaz de sobrevivir a las enormes, pero finitas, fuerzas gravitatorias de esta región.»
Aparte del espacio-tiempo curvado, ¿qué más habita en el corazón de los agujeros negros, si esta teoría es correcta? Según Hennigar, en sentido estricto, nada.
«Estos agujeros negros son puro vacío en todas partes; no es necesario que haya materia presente, pero se puede incluir fácilmente si se desea», prosigue el investigador de la Universidad de Durham. «Puede sonar raro tener un agujero negro en ausencia de materia, pero lo mismo puede ocurrir incluso en relatividad general».
Una ilustración muestra un agujero negro que provoca una deformación «en picado» en el espacio-tiempo. (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Incluso si el concepto de agujero negro del equipo se verificara, probablemente no detendría la búsqueda de un modelo válido de gravedad cuántica y una teoría del todo.
«En cierto sentido, es un problema que no se puede evitar. Las estrellas se colapsan constantemente en nuestro universo; es un proceso físico inevitable. Pero este hecho tan habitual nos lleva más allá de todo lo que conocemos», continúa Hennigar. «En las fases finales del colapso, justo antes de llegar a la singularidad, serán importantes tanto la gravedad como los efectos cuánticos.
«Así que ya sabemos que las conclusiones que uno sacaría de la relatividad general por sí sola son insuficientes para describir un lugar/momento tan extremo.»
¿Perder la singularidad significa perder el misterio? No del todo…
Si es correcta, esta investigación puede haber desmitificado un poco los agujeros negros, pero abre muchas preguntas que aún tendrán que ser respondidas.
«Nuestro trabajo da respuesta 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 acabaría saliendo del agujero negro a través de un agujero blanco situado en un universo diferente o en una región desconectada del mismo universo.
«Esto parece muy exótico, pero es la única posibilidad si no existen las singularidades: todo lo que entra en un agujero negro debe acabar saliendo de él.»
Una ilustración de la materia vertiéndose en un agujero negro, cruzando un puente de Einstein-Rosen y emergiendo en otra región del universo (Crédito de la imagen: Robert Lea (Creado con Canva))
El investigador añadió que este proceso conlleva problemas propios, que también deben investigarse para evaluar la solidez de la idea del equipo.
La gran pregunta es si los científicos podrían encontrar alguna vez pruebas de esta teoría a partir de observaciones reales de agujeros negros; después de todo, sabemos que no podemos simplemente asomarnos a su interior.
«Es difícil de decir, ya que los efectos que conducen a la resolución de la singularidad sólo podrían llegar a 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 ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales permite a los astrónomos observar campos gravitacionales mucho más fuertes que nunca. Esto da a los científicos una oportunidad única para tratar de detectar efectos más allá de la relatividad general, incluidos los que pueden conducir a la resolución de singularidades.
Además, si la teoría del equipo es correcta, debería haber una huella 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 fondo primordial de ondas gravitacionales -que aún no se ha detectado- podría dar pistas sobre posibles modificaciones de la gravedad», afirma Molina-Niñirola. «Por último, una consecuencia de la ausencia de singularidades es que el producto final de la evaporación de un agujero negro a través de la radiación Hawking sería un agujero negro microscópico. «Estos agujeros negros microscópicos constituyen un posible candidato a materia oscura. Así, si la materia oscura resultara estar compuesta de agujeros negros diminutos, esto sería una prueba indirecta a favor de la ausencia de singularidades.»
La investigación del equipo se publicó en la revista Physics Letters B en febrero de 2025.
