Esto es lo que (probablemente) podría existir al otro lado del agujero negro

Quizás el descubrimiento científico más sorprendente de la última década es que el universo está lleno de agujeros negros.

Estos agujeros se han observado en diferentes y sorprendentes tamaños: algunos con una masa ligeramente mayor que la masa del Sol, y otros con una masa miles de millones de veces mayor. También se han observado de diferentes formas: a través de emisiones de radio del material que cae hacia el agujero; Y a través de su influencia sobre las estrellas que giran a su alrededor; A través de las ondas gravitacionales emitidas durante su fusión; Y a través de la extrañísima distorsión de la luz que provoca (recordemos el Anillo de Einstein, que apareció en las imágenes de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, que apareció en las portadas de los periódicos internacionales no hace mucho).

El espacio en el que vivimos no es liso, sino lleno de agujeros en el cielo, como un colador. La teoría de la relatividad general de Einstein predijo y describió bien las propiedades físicas de todos los agujeros negros.

Todo lo que sabemos sobre estos extraños objetos es totalmente coherente con la teoría de Einstein hasta el momento. Pero hay dos preguntas principales que la teoría de Einstein no responde.

La primera pregunta es: ¿adónde va la materia cuando entra en un agujero negro? La segunda pregunta es: ¿Cómo acaban los agujeros negros? Argumentos teóricos convincentes, comprendidos por primera vez por Stephen Hawking hace varias décadas, sugieren que en un futuro lejano, después de una vida que depende de su tamaño, un agujero negro se contraerá (o, como dicen los físicos, se “evaporará”), emitiendo radiación caliente ahora. conocido como radiación.

Esto hace que el agujero se haga cada vez más pequeño, hasta volverse muy pequeño. ¿Pero qué ocurre después de eso? La razón por la que estas dos preguntas aún no han sido respondidas, y la teoría de Einstein no proporciona una respuesta, es que ambas involucran aspectos cuánticos del espacio-tiempo.

Esto significa que ambos implican gravedad cuántica, pero aún no tenemos una teoría sólida de la gravedad cuántica.

Intenta responder

Pero hay esperanza, porque tenemos teorías provisionales. Estas teorías aún no han sido probadas porque aún no han sido respaldadas por experimentos u observaciones.

Pero están lo suficientemente avanzados como para proporcionarnos respuestas provisionales a estas dos importantes preguntas. Por lo tanto, podemos utilizar estas teorías para hacer una suposición fundamentada sobre lo que está sucediendo.

No definida

Quizás la teoría más detallada y avanzada del espacio-tiempo cuántico sea la gravedad cuántica de bucles, o LQG, una teoría experimental de la gravedad cuántica que se ha ido desarrollando de manera constante desde finales de los años 1980.

Gracias a esta teoría ha aparecido una interesante respuesta a estas preguntas. Esta respuesta se demuestra en el siguiente escenario. El interior del agujero negro evoluciona hasta llegar a una etapa en la que los efectos cuánticos comienzan a dominar.

Esto crea una fuerte fuerza repulsiva que refleja la dinámica del interior del agujero negro en colapso, provocando que «rebote». Después de esta fase cuántica, descrita por la teoría de la gravedad cuántica, el espacio-tiempo dentro del agujero vuelve a obedecer a la teoría de Einstein, excepto que el agujero negro ahora se expande en lugar de contraerse.

La posibilidad de la expansión de los agujeros negros en realidad fue predicha por la teoría de Einstein, de la misma manera que fue predicha por los agujeros negros. Esta es una posibilidad que se conoce desde hace décadas; Esta región correspondiente del espacio-tiempo incluso tiene un nombre: “agujero blanco”.

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Misma idea pero al revés.

El nombre refleja la idea de que un agujero blanco es, en cierto sentido, lo opuesto a un agujero negro. Podemos pensar en ello de la misma manera que una pelota que rebota hacia arriba sigue un camino ascendente que es opuesto al camino descendente que tomó cuando esa pelota cayó.

Un agujero blanco es una estructura espacio-temporal similar a un agujero negro pero con el tiempo invertido. Dentro de un agujero negro, las cosas caen; Pero dentro del agujero blanco, las cosas se mueven hacia afuera. Nada puede salir de un agujero negro; Asimismo, nada puede entrar en un agujero blanco.

Visto desde fuera, lo que ocurre es que al final del proceso de evaporación, el agujero negro, que ahora es pequeño porque ha evaporado la mayor parte de su masa, se convierte en un pequeño agujero blanco. LQG señala que estas estructuras se vuelven casi estables debido a los efectos cuánticos y, por lo tanto, pueden sobrevivir durante mucho tiempo.

A los agujeros blancos a veces se les llama «restos» porque son lo que queda después de que un agujero negro se evapora. La transición de un agujero negro a un agujero blanco puede considerarse un «salto cuántico». Esto es similar al concepto de saltos cuánticos del físico danés Niels Bohr, donde los electrones saltan de un orbital atómico a otro cuando cambian su energía.

Los saltos cuánticos hacen que los átomos emitan fotones, que son los que provocan que se emita la luz que nos permite ver las cosas. Pero la teoría de la gravedad cuántica predice el tamaño de estos pequeños restos. De ahí un resultado físico distintivo: la cuantificación de la geometría. En particular, la teoría de la gravedad cuántica predice que el área de cualquier superficie sólo puede tener ciertos valores discretos.

El área del horizonte remanente del agujero blanco debe determinarse mediante el valor más pequeño que no desaparece. Esto corresponde a un agujero blanco con una masa de una fracción de microgramo: aproximadamente el peso de un cabello humano.

Este escenario responde a las dos preguntas planteadas anteriormente. Lo que sucede al final del proceso de evaporación es que el agujero negro cuántico salta a un pequeño agujero blanco de larga vida. La materia que cae en un agujero negro puede luego emerger de este agujero blanco.

La mayor parte de la energía de la materia ya habrá sido liberada por la radiación de Hawking, una radiación de baja energía emitida por el agujero negro debido a efectos cuánticos que hacen que se evapore. Lo que sale del agujero blanco no es la energía de la materia que cayó en él, sino la radiación de baja energía restante, que, sin embargo, lleva toda la información restante sobre la materia que cayó en él.

Una posibilidad intrigante que abre este escenario es que la misteriosa materia oscura que los astrónomos ven como rastros en el cielo pueda en realidad haberse formado, total o parcialmente, a partir de pequeños agujeros blancos generados por antiguos agujeros negros en evaporación. Estos agujeros pueden haber surgido en las primeras etapas del universo, quizás antes del Big Bang, que la teoría de la gravedad cuántica también parece predecir.

Esta es una solución potencial atractiva al misterio de la naturaleza de la materia oscura, porque proporciona una comprensión de la materia oscura basada únicamente en la relatividad general y la mecánica cuántica, dos aspectos bien establecidos de la naturaleza. Tampoco agrega partículas de campo aleatorias ni nuevas ecuaciones dinámicas, como lo hacen la mayoría de las hipótesis experimentales alternativas sobre la materia oscura.

Próximos pasos

Entonces, ¿podemos detectar agujeros blancos? Observar los agujeros blancos directamente será difícil porque estos pequeños objetos interactúan con el espacio y la materia que los rodea casi exclusivamente a través de la gravedad, que es extremadamente débil.

No es fácil detectar un cabello utilizando únicamente su gravedad. Pero tal vez ya no sea imposible a medida que avance la tecnología. Ya se han propuesto ideas sobre cómo hacer esto utilizando detectores basados ​​en tecnología cuántica.

Si la materia oscura está formada por restos de agujeros blancos, una simple estimación muestra que algunos de estos objetos podrían volar a través de un área del tamaño de una habitación grande todos los días. Por ahora, tenemos que estudiar este escenario y cómo encaja con lo que sabemos sobre el universo, mientras esperamos que la tecnología nos ayude a detectar estos objetos directamente.

Pero, sorprendentemente, este escenario no se había tenido en cuenta antes. La razón se remonta a una hipótesis adoptada por muchos teóricos con experiencia en teoría de cuerdas: una versión sólida de la llamada hipótesis “holográfica”.

Según esta hipótesis, la información dentro de un pequeño agujero negro es necesariamente pequeña, lo que contradice la idea anterior. La hipótesis se basa en la idea de los agujeros negros eternos: técnicamente, la idea de que el horizonte de un agujero negro es necesariamente un horizonte de «sucesos» (un horizonte de «sucesos» es, por definición, un horizonte eterno). Si el horizonte es eterno, entonces lo que sucede en el interior se pierde efectivamente para siempre, y un agujero negro es singularmente distinto de lo que se puede ver desde el exterior.

Pero los fenómenos gravitacionales cuánticos perturban el horizonte cuando se vuelve pequeño, impidiéndole ser eterno. Por tanto, el horizonte del agujero negro no puede ser un horizonte de “sucesos”. La información que contiene puede ser grande, incluso cuando el horizonte es pequeño, y puede recuperarse después de la etapa de agujero negro, durante la etapa de agujero blanco.

Curiosamente, cuando se estudiaban teóricamente los agujeros negros y se ignoraban sus propiedades cuánticas, se consideraba que el horizonte eterno era su propiedad definitoria. Ahora que entendemos los agujeros negros como objetos reales en el cielo e investigamos sus propiedades cuánticas, nos damos cuenta de que la idea de que sus horizontes deberían ser eternos era sólo un ideal.

La realidad tiene más matices. Quizás nada sea eterno, ni siquiera el horizonte de un agujero negro.

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