Los científicos han simulado con éxito un agujero negro con forma de anillo muy delgado, lo que da lugar a una serie de ‘protuberancias’ conectadas por cuerdas que se vuelven más delgadas con el tiempo. Estas cuerdas eventualmente se vuelven tan delgadas que se pellizcan en una serie de agujeros negros en miniatura, similar a la forma en que una delgada corriente de agua de un grifo se rompe en gotitas.
Crédito: Pau Figueras, Markus Kunesch y Saran Tunyasuvunakool; Imagen cortesía de la Universidad de Cambridge.
Los investigadores han demostrado cómo un agujero negro de forma extraña podría hacer que la teoría general de la relatividad de Einstein, una base de la física moderna, se desmorone. Sin embargo, dicho objeto solo podría existir en un universo con cinco o más dimensiones.
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Los investigadores, de la Universidad de Cambridge y la Universidad Queen Mary de Londres, han simulado con éxito un agujero negro con forma de anillo muy delgado, lo que da lugar a una serie de ‘protuberancias’ conectadas por cuerdas que se vuelven más delgadas con el tiempo. Estas cuerdas eventualmente se vuelven tan delgadas que se pellizcan en una serie de agujeros negros en miniatura, similar a la forma en que una delgada corriente de agua de un grifo se rompe en gotitas.
Los agujeros negros en forma de anillo fueron ‘descubiertos’ por físicos teóricos en 2002, pero esta es la primera vez que su dinámica se ha simulado con éxito utilizando supercomputadoras. Si se forma este tipo de agujero negro, daría lugar a la aparición de una “singularidad desnuda”, lo que provocaría que las ecuaciones detrás de la relatividad general se rompan. Los resultados se publican en la revista Physical Review Letters .
La relatividad general apuntala nuestra comprensión actual de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, hasta las señales GPS en las que confiamos para ayudarnos a navegar, se basa en las ecuaciones de Einstein. En parte, la teoría nos dice que la materia deforma su espacio-tiempo circundante, y lo que llamamos gravedad es el efecto de esa deformación. En los 100 años transcurridos desde su publicación, la relatividad general ha superado todas las pruebas que se le han lanzado, pero una de sus limitaciones es la existencia de singularidades.
Una singularidad es un punto donde la gravedad es tan intensa que el espacio, el tiempo y las leyes de la física se rompen. La relatividad general predice que existen singularidades en el centro de los agujeros negros, y que están rodeadas por un horizonte de eventos: el ‘punto de no retorno’, donde el tirón gravitacional se vuelve tan fuerte que es imposible escapar, lo que significa que no se pueden observar desde el exterior.
“Mientras las singularidades permanezcan ocultas detrás de un horizonte de eventos, no causan problemas y la relatividad general se mantiene: la ‘conjetura de la censura cósmica’ dice que este es siempre el caso”, dijo el coautor del estudio Markus Kunesch, estudiante de doctorado en Cambridge’s Departamento de Matemática Aplicada y Física Teórica (DAMTP). “Mientras la conjetura de la censura cósmica sea válida, podemos predecir con seguridad el futuro fuera de los agujeros negros. Porque en última instancia, lo que estamos tratando de hacer en física es predecir el futuro dado el conocimiento sobre el estado del universo ahora”.
Pero, ¿y si existiera una singularidad fuera del horizonte de eventos? Si lo hiciera, no solo sería visible desde el exterior, sino que representaría un objeto que se ha derrumbado a una densidad infinita, un estado que hace que las leyes de la física se rompan. Los físicos teóricos han planteado la hipótesis de que tal cosa, llamada singularidad desnuda, podría existir en dimensiones superiores.
“Si existen singularidades desnudas, la relatividad general se rompe”, dijo el coautor Saran Tunyasuvunakool, también estudiante de doctorado de DAMTP. “Y si la relatividad general se rompe, lo pondría todo al revés, porque ya no tendría ningún poder predictivo, ya no podría considerarse como una teoría independiente para explicar el universo”.
Pensamos en el universo como existente en tres dimensiones, más la cuarta dimensión del tiempo, que juntas se denominan espacio-tiempo. Pero, en las ramas de la física teórica, como la teoría de cuerdas, el universo podría estar compuesto por hasta 11 dimensiones. Las dimensiones adicionales podrían ser grandes y expansivas, o podrían estar acurrucadas, pequeñas y difíciles de detectar. Dado que los humanos solo pueden percibir directamente tres dimensiones, la existencia de dimensiones adicionales solo puede inferirse a través de experimentos de muy alta energía, como los realizados en el Gran Colisionador de Hadrones.
La teoría de Einstein en sí misma no indica cuántas dimensiones hay en el universo, por lo que los físicos teóricos han estado estudiando la relatividad general en dimensiones superiores para ver si la censura cósmica aún se mantiene. El descubrimiento de agujeros negros en forma de anillo en cinco dimensiones llevó a los investigadores a la hipótesis de que podrían separarse y dar lugar a una singularidad desnuda.
Lo que los investigadores de Cambridge, junto con su coautor Pau Figueras de la Universidad Queen Mary de Londres, han descubierto es que si el anillo es lo suficientemente delgado, puede conducir a la formación de singularidades desnudas.
Utilizando la supercomputadora COSMOS, los investigadores pudieron realizar una simulación completa de la teoría completa de Einstein en dimensiones superiores, lo que les permitió no solo confirmar que estos ‘anillos negros’ son inestables, sino también identificar su destino final. La mayoría de las veces, un anillo negro se derrumba en una esfera, para que la singularidad permanezca contenida dentro del horizonte de eventos. Solo un anillo negro muy delgado se vuelve lo suficientemente inestable como para formar protuberancias conectadas por cuerdas cada vez más delgadas, que finalmente se rompen y forman una singularidad desnuda. Se requerían nuevas técnicas de simulación y código de computadora para manejar estas formas extremas.
“Mientras mejor simulemos la teoría de la gravedad de Einstein en dimensiones más altas, más fácil será para nosotros ayudar con el avance de nuevas técnicas computacionales: estamos empujando los límites de lo que puedes hacer en una computadora cuando se trata de la teoría de Einstein “, dijo Tunyasuvunakool. “Pero si la censura cósmica no se mantiene en dimensiones más altas, entonces tal vez tengamos que ver qué tiene de especial un universo de cuatro dimensiones que significa que sí se sostiene”.
Se espera ampliamente que la conjetura de la censura cósmica sea cierta en nuestro universo cuatridimensional, pero en caso de ser refutada, sería necesario identificar una forma alternativa de explicar el universo. Una posibilidad es la gravedad cuántica, que se aproxima a las ecuaciones de Einstein lejos de una singularidad, pero también proporciona una descripción de la nueva física cercana a la singularidad.
La supercomputadora COSMOS de la Universidad de Cambridge es parte de la instalación DiRAC HPC del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC).
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