Más allá de la singularidad del agujero negro

Representación artística de un agujero negro. La mitad inferior de la imagen muestra el agujero negro que, según la relatividad general, atrapa todo, incluida la luz. Los efectos basados en la gravedad cuántica de bucle, una teoría que extiende la relatividad general de Einstein utilizando la mecánica cuántica, superan este tremendo tirón y liberan todo (la mitad superior de la imagen), proporcionando así una vía concreta para la recuperación de la información que antes se creía perdida en el agujero negro singularidad. Crédito de la imagen: A. Corichi y J. P. Ruiz / Penn State.

Nuestros primeras incursiones a la física que existe cerca del centro de un agujero negro se están haciendo posibles usando la "gravedad cuántica de bucle", una teoría que utiliza la mecánica cuántica para extender la física gravitacional más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein. La gravedad cuántica de bucles, originada en Penn State y posteriormente desarrollada por un gran número de científicos de todo el mundo, está abriendo un nuevo paradigma en la física moderna. La teoría ha emergido como un candidato líder para analizar fenómenos cosmológicos y astrofísicos extremos en partes del universo, como los agujeros negros, donde las ecuaciones de la relatividad general dejan de ser útiles. 

El trabajo anterior en gravedad cuántica de bucle que fue muy influyente en el campo analizó la naturaleza cuántica del Big Bang, y ahora dos nuevos trabajos de Abhay Ashtekar y Javier Olmedo en Penn State y Parampreet Singh en Louisiana State University extienden esos resultados a los agujeros negros interiores. Los artículos aparecen como "sugerencias de los editores" en las revistas Physical Review Letters y Physical Review el 10 de diciembre de 2018 y también se destacaron en un artículo de Viewpoint en la revista Physics. 

"La mejor teoría de la gravedad que tenemos hoy es la relatividad general, pero tiene limitaciones", dijo Ashtekar, profesor de física de Evan Pugh, titular de la Cátedra de Física de la Familia Eberly y director del Instituto Estatal de Gravitación y Cosmos de Penn. "Por ejemplo, la relatividad general predice que hay lugares en el universo donde la gravedad se vuelve infinita y el espacio-tiempo simplemente termina. Nos referimos a estos lugares como 'singularidades'. Pero incluso Einstein estuvo de acuerdo en que esta limitación de la relatividad general se debe al hecho de que ignora la mecánica cuántica". 

En el centro de un agujero negro, la gravedad es tan fuerte que, según la relatividad general, el espacio-tiempo se vuelve tan extremadamente curvado que, en última instancia, la curvatura se vuelve infinita. Esto da como resultado que el espacio-tiempo tenga un borde irregular, más allá del cual la física ya no existe: la singularidad. Otro ejemplo de una singularidad es el Big Bang. Preguntar qué sucedió antes del Big Bang es una pregunta sin sentido en la relatividad general, porque el espacio-tiempo termina, y no hay antes. Pero las modificaciones a las ecuaciones de Einstein que incorporaban la mecánica cuántica a través de la gravedad cuántica de bucles permitieron a los investigadores extender la física más allá del Big Bang y hacer nuevas predicciones. Los dos artículos recientes han logrado lo mismo para la singularidad del agujero negro. 

"La base de la gravedad cuántica de bucle es el descubrimiento de Einstein de que la geometría del espacio-tiempo no es solo un escenario en el que se actúan los eventos cosmológicos, sino que es una entidad física la que puede doblarse", dijo Ashtekar. "Como entidad física, la geometría del espacio-tiempo se compone de algunas unidades fundamentales, al igual que la materia está formada por átomos. Estas unidades de geometría, llamadas" excitaciones cuánticas ", son órdenes de magnitud más pequeñas de las que podemos detectar con la tecnología actual, pero tenemos ecuaciones cuánticas precisas que predicen su comportamiento, y uno de los mejores lugares para buscar sus efectos es el centro de un agujero negro". De acuerdo con la relatividad general, en el centro de un agujero negro la gravedad se vuelve infinita, por lo que todo lo que entra, incluida la información necesaria para los cálculos físicos, se pierde. Esto lleva a la celebrada 'paradoja de la información' con la que los físicos teóricos han estado lidiando durante más de 40 años. Sin embargo, las correcciones cuánticas de la gravedad cuántica de bucle permiten una fuerza repulsiva que puede abrumar incluso la fuerza más fuerte de la gravedad clásica y, por lo tanto, la física puede continuar existiendo. Esto abre una vía para mostrar en detalle que no hay pérdida de información en el centro de un agujero negro, que los investigadores ahora están buscando. 

Curiosamente, aunque la gravedad cuántica de bucle continúa funcionando donde la relatividad general se rompe (las singularidades de los agujeros negros, el Big Bang), sus predicciones coinciden con las de la relatividad general, precisamente en circunstancias menos extremas, lejos de la singularidad. "Es altamente no trivial lograr ambos", dijo Singh, profesor asociado de física en el estado de Louisiana. "De hecho, varios investigadores han explorado la naturaleza cuántica de la singularidad del agujero negro en la última década, pero prevaleció la singularidad o los mecanismos que lo resolvieron desencadenaron efectos antinaturales. Nuestro nuevo trabajo está libre de tales limitaciones". 

Fuente: Penn State University,