Protuberancias formándose en el anillo. Fuente: Universidad de Cambridge.
Investigadores del Reino Unido, entre ellos un español, han demostrado que un agujero negro con una forma extraña podría acabar con la teoría general de la relatividad de Einstein. Sin embargo, es un objeto que sólo podría existir en un universo con cinco o más dimensiones.
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, que da lugar a una serie de bultos conectados por cadenas que se vuelven más delgadas en el tiempo. Estas cadenas acaban haciéndose tan delgadas que se pinzan en una serie de agujeros negros en miniatura, de forma similar a cómo un fino chorro de agua de grifo se transforma en gotas.
Los agujeros negros en forma de anillos fueron descubiertos (de forma teórica) por los físicos teóricos en 2002, pero esta es la primera vez que su dinámica se ha simulado con éxito utilizando superordenadores. En caso de que se formaran este tipo de agujeros negros, eso daría lugar a la aparición de una "singularidad desnuda", que haría que las ecuaciones que hay detrás de la relatividad general se descompusieran. Los resultados se publican en la revista Physical Review Letters.
Relatividad general
La relatividad general es la base de nuestra actual comprensión de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, hasta las señales GPS de las que dependemos para ayudarnos a navegar, se basa en las ecuaciones de Einstein. En parte, la teoría nos dice que la materia deforma el espacio-tiempo de su entorno, y que lo que llamamos gravedad es el efecto de esa distorsión. En los 100 años desde que se publicó, la relatividad general ha pasado todas las pruebas a las que ha sido sometida, 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 descomponen. La relatividad general predice que existen singularidades en el centro de los agujeros negros, y que están rodeados de un horizonte de sucesos: el "punto de no retorno", donde la atracción gravitatoria se vuelve tan fuerte que es imposible escapar de ella, lo que significa que no pueden verse desde el exterior.
"Si las singularidades permanecen ocultas detrás de un horizonte de sucesos, no causan problemas y la relatividad general se mantiene - la conjetura de la censura cósmica dice que esto siempre es así", dice el coautor del estudio Markus Kunesch, estudiante de doctorado en el Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge, en la nota de prensa de ésta. "Siempre que la conjetura de la censura cósmica sea válida, podemos predecir con seguridad el futuro fuera de los agujeros negros. Porque, en definitiva, lo que estamos tratando de hacer en la física es predecir el futuro dado el conocimiento sobre el estado del universo actual".
¿Pero y si existiera una singularidad fuera de un horizonte de sucesos? Si así fuera, no sólo sería visible desde el exterior, sino que representaría un objeto que ha colapsado a una densidad infinita, un estado que hace que las leyes de la física se descompongan. 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", dice la co-autora Saran Tunyasuvunakool, también estudiante de doctorado en Cambridge. "Y si la relatividad general se rompe, daría la vuelta a todo, porque ya no tendría ningún poder predictivo: no podría considerarse una teoría para explicar el universo."
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, que da lugar a una serie de bultos conectados por cadenas que se vuelven más delgadas en el tiempo. Estas cadenas acaban haciéndose tan delgadas que se pinzan en una serie de agujeros negros en miniatura, de forma similar a cómo un fino chorro de agua de grifo se transforma en gotas.
Los agujeros negros en forma de anillos fueron descubiertos (de forma teórica) por los físicos teóricos en 2002, pero esta es la primera vez que su dinámica se ha simulado con éxito utilizando superordenadores. En caso de que se formaran este tipo de agujeros negros, eso daría lugar a la aparición de una "singularidad desnuda", que haría que las ecuaciones que hay detrás de la relatividad general se descompusieran. Los resultados se publican en la revista Physical Review Letters.
Relatividad general
La relatividad general es la base de nuestra actual comprensión de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, hasta las señales GPS de las que dependemos para ayudarnos a navegar, se basa en las ecuaciones de Einstein. En parte, la teoría nos dice que la materia deforma el espacio-tiempo de su entorno, y que lo que llamamos gravedad es el efecto de esa distorsión. En los 100 años desde que se publicó, la relatividad general ha pasado todas las pruebas a las que ha sido sometida, 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 descomponen. La relatividad general predice que existen singularidades en el centro de los agujeros negros, y que están rodeados de un horizonte de sucesos: el "punto de no retorno", donde la atracción gravitatoria se vuelve tan fuerte que es imposible escapar de ella, lo que significa que no pueden verse desde el exterior.
"Si las singularidades permanecen ocultas detrás de un horizonte de sucesos, no causan problemas y la relatividad general se mantiene - la conjetura de la censura cósmica dice que esto siempre es así", dice el coautor del estudio Markus Kunesch, estudiante de doctorado en el Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge, en la nota de prensa de ésta. "Siempre que la conjetura de la censura cósmica sea válida, podemos predecir con seguridad el futuro fuera de los agujeros negros. Porque, en definitiva, lo que estamos tratando de hacer en la física es predecir el futuro dado el conocimiento sobre el estado del universo actual".
¿Pero y si existiera una singularidad fuera de un horizonte de sucesos? Si así fuera, no sólo sería visible desde el exterior, sino que representaría un objeto que ha colapsado a una densidad infinita, un estado que hace que las leyes de la física se descompongan. 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", dice la co-autora Saran Tunyasuvunakool, también estudiante de doctorado en Cambridge. "Y si la relatividad general se rompe, daría la vuelta a todo, porque ya no tendría ningún poder predictivo: no podría considerarse una teoría para explicar el universo."
Visión artística de un agujero negro supermasivo, devorando su entorno. Fuente: NASA/ESA.
Dimensiones
Pensamos en el universo tal como existe en tres dimensiones, además de la cuarta dimensión del tiempo, que en conjunto se denominan el espacio-tiempo. Sin embargo, en algunas ramas de la física teórica como la teoría de cuerdas, el universo podría estar compuesto por un máximo de 11 dimensiones. Las dimensiones extra podrían ser grandes y expansivas, o podrían estar enroscadas, y ser pequeñas y difíciles de detectar.
Dado que los seres humanos sólo pueden percibir directamente tres dimensiones, la existencia de dimensiones extra sólo puede inferirse a través de experimentos de muy alta energía, tales como los llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Suiza).
La propia teoría de Einstein no indica cuántas dimensiones existen en el universo, por lo que los físicos teóricos han estado estudiando la relatividad general en dimensiones más altas para ver si la censura cósmica se mantiene. El descubrimiento teórico de agujeros negros en forma de anillos en cinco dimensiones llevó a los investigadores a plantear la hipótesis de que podrían romperse y dar lugar a una singularidad desnuda.
Lo que los investigadores de Cambridge, junto con el co-autor español Pau Figueras, de la Universidad Queen Mary de Londres, han encontrado, es que si el anillo es lo suficientemente delgado, puede conducir a la formación de singularidades desnudas.
Superordenador
Utilizando el superordenador Cosmos, de Cambridge, los investigadores fueron capaces de realizar una simulación completa de la teoría completa de Einstein en dimensiones más altas, lo que les permitió no sólo confirmar que estos "anillos negros" son inestables, sino también identificar su destino final.
La mayoría de las veces, un anillo negro colapsa de nuevo en una esfera, de modo que la singularidad se quedaría contenida dentro del horizonte de sucesos. Sólo un anillo negro muy fino llegaría a ser suficientemente inestable como para formar protuberancias conectadas por cadenas más y más delgadas, que se desprenderían con el tiempo y formarían una singularidad desnuda. Se requieren técnicas de simulación y código informático nuevos para manejar estas figuras extremas.
"Estamos al límite de lo que se puede hacer con una computadora cuando abordamos la teoría de Einstein", dice Tunyasuvunakool. "Pero si la censura cósmica no se mantiene en dimensiones más altas, entonces tal vez tenemos que buscar qué hay de especial en un universo de cuatro dimensiones que hace que se produzca".
La conjetura de la censura cósmica se espera en general que sea cierta en nuestro universo de cuatro dimensiones, pero en caso de que sea refutada, habría que buscar una forma alternativa de explicar el universo. Una posibilidad es la gravedad cuántica, que se aproxima a las ecuaciones de Einstein muy lejos de una singularidad, pero que también proporciona una descripción de la física cerca de la singularidad.
Pensamos en el universo tal como existe en tres dimensiones, además de la cuarta dimensión del tiempo, que en conjunto se denominan el espacio-tiempo. Sin embargo, en algunas ramas de la física teórica como la teoría de cuerdas, el universo podría estar compuesto por un máximo de 11 dimensiones. Las dimensiones extra podrían ser grandes y expansivas, o podrían estar enroscadas, y ser pequeñas y difíciles de detectar.
Dado que los seres humanos sólo pueden percibir directamente tres dimensiones, la existencia de dimensiones extra sólo puede inferirse a través de experimentos de muy alta energía, tales como los llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Suiza).
La propia teoría de Einstein no indica cuántas dimensiones existen en el universo, por lo que los físicos teóricos han estado estudiando la relatividad general en dimensiones más altas para ver si la censura cósmica se mantiene. El descubrimiento teórico de agujeros negros en forma de anillos en cinco dimensiones llevó a los investigadores a plantear la hipótesis de que podrían romperse y dar lugar a una singularidad desnuda.
Lo que los investigadores de Cambridge, junto con el co-autor español Pau Figueras, de la Universidad Queen Mary de Londres, han encontrado, es que si el anillo es lo suficientemente delgado, puede conducir a la formación de singularidades desnudas.
Superordenador
Utilizando el superordenador Cosmos, de Cambridge, los investigadores fueron capaces de realizar una simulación completa de la teoría completa de Einstein en dimensiones más altas, lo que les permitió no sólo confirmar que estos "anillos negros" son inestables, sino también identificar su destino final.
La mayoría de las veces, un anillo negro colapsa de nuevo en una esfera, de modo que la singularidad se quedaría contenida dentro del horizonte de sucesos. Sólo un anillo negro muy fino llegaría a ser suficientemente inestable como para formar protuberancias conectadas por cadenas más y más delgadas, que se desprenderían con el tiempo y formarían una singularidad desnuda. Se requieren técnicas de simulación y código informático nuevos para manejar estas figuras extremas.
"Estamos al límite de lo que se puede hacer con una computadora cuando abordamos la teoría de Einstein", dice Tunyasuvunakool. "Pero si la censura cósmica no se mantiene en dimensiones más altas, entonces tal vez tenemos que buscar qué hay de especial en un universo de cuatro dimensiones que hace que se produzca".
La conjetura de la censura cósmica se espera en general que sea cierta en nuestro universo de cuatro dimensiones, pero en caso de que sea refutada, habría que buscar una forma alternativa de explicar el universo. Una posibilidad es la gravedad cuántica, que se aproxima a las ecuaciones de Einstein muy lejos de una singularidad, pero que también proporciona una descripción de la física cerca de la singularidad.
Referencia bibliográfica:
Pau Figueras, Markus Kunesch y Saran Tunyasuvunakool: End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture. Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.071102.
Pau Figueras, Markus Kunesch y Saran Tunyasuvunakool: End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture. Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.071102.