Representación artística de los efectos de gravedad cuántica de bucle en un agujero negro. La mitad inferior de la imagen muestra el agujero negro que, según la relatividad general, atrapa todo, incluida la luz. La gravedad cuántica de bucles, una teoría que extiende la relatividad general de Einstein utilizando la mecánica cuántica, supera este tremendo impulso y libera todo lo que se muestra en la mitad superior de la imagen, resolviendo así el problema fundamental de la singularidad del agujero negro. Crédito: A. Corichi y JP Ruiz. LSU.
Cuando las estrellas se colapsan, pueden crear agujeros negros que están presentes en todo el universo: son objetos misteriosos con un borde exterior llamado horizonte de eventos que lo atrapa todo, incluida la luz.
La teoría de la relatividad general de Einstein predijo que una vez que un objeto cae dentro de un horizonte de eventos, termina en el centro del agujero negro, llamado singularidad, donde se aplasta por completo.
En este punto de la singularidad, la atracción gravitatoria es infinita y todas las leyes conocidas de la física se rompen, incluida la teoría de Einstein. En las últimas décadas, los científicos han estado preguntándose si las singularidades realmente existen, mediante complejas ecuaciones matemáticas que hasta ahora no han logrado despejar la incógnita.
El profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad del Estado de Louisiana (LSU), Parampreet Singh, y sus colaboradores, han desarrollado nuevas ecuaciones matemáticas que van más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein y superan su limitación clave: la singularidad central de agujeros negros. La investigación, publicada en Physical Review Letters y Physical Review D, ha sido destacada por los editores de la American Physical Society.
Gravedad cuántica de bucles
En la década de los 90, los científicos desarrollaron una teoría llamada gravedad cuántica de bucles que combina las leyes de la física microscópica, o la mecánica cuántica, con la gravedad, lo que explica la dinámica del espacio y el tiempo. Las nuevas ecuaciones de estos autores describen los agujeros negros en la gravedad cuántica de bucle y demuestran que la singularidad del agujero negro no existe.
"En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo es un tejido que puede dividirse tan pequeño como queramos. Esto es esencialmente la causa de la singularidad, donde el campo gravitatorio se vuelve infinito. En la gravedad cuántica de bucles, el tejido del espacio-tiempo tiene una estructura similar, que no se puede dividir más allá de la baldosa más pequeña. Mis colegas y yo hemos demostrado que este es el caso dentro de los agujeros negros y, por lo tanto, no hay singularidad", explica Singh en un comunicado.
En lugar de la singularidad, la gravedad cuántica de bucle predice un embudo hacia otra rama del espacio-tiempo. "Estas unidades de geometría tipo baldosas, llamadas 'excitaciones cuánticas', que resuelven el problema de la singularidad, son órdenes de magnitud más pequeñas de las que podemos detectar con la tecnología actual, pero tenemos ecuaciones matemáticas precisas que predicen su comportamiento", añade Abhay Ashtekar, otro de los investigadores, que es además es uno de los padres fundadores de la gravedad cuántica de bucles.
"En LSU, hemos estado desarrollando técnicas computacionales de vanguardia para extraer las consecuencias físicas de estas ecuaciones físicas mediante el uso de superordenadores, lo que nos acerca más a probar de manera confiable la gravedad cuántica", especifica Singh.
La teoría de la relatividad general de Einstein predijo que una vez que un objeto cae dentro de un horizonte de eventos, termina en el centro del agujero negro, llamado singularidad, donde se aplasta por completo.
En este punto de la singularidad, la atracción gravitatoria es infinita y todas las leyes conocidas de la física se rompen, incluida la teoría de Einstein. En las últimas décadas, los científicos han estado preguntándose si las singularidades realmente existen, mediante complejas ecuaciones matemáticas que hasta ahora no han logrado despejar la incógnita.
El profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad del Estado de Louisiana (LSU), Parampreet Singh, y sus colaboradores, han desarrollado nuevas ecuaciones matemáticas que van más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein y superan su limitación clave: la singularidad central de agujeros negros. La investigación, publicada en Physical Review Letters y Physical Review D, ha sido destacada por los editores de la American Physical Society.
Gravedad cuántica de bucles
En la década de los 90, los científicos desarrollaron una teoría llamada gravedad cuántica de bucles que combina las leyes de la física microscópica, o la mecánica cuántica, con la gravedad, lo que explica la dinámica del espacio y el tiempo. Las nuevas ecuaciones de estos autores describen los agujeros negros en la gravedad cuántica de bucle y demuestran que la singularidad del agujero negro no existe.
"En la teoría de Einstein, el espacio-tiempo es un tejido que puede dividirse tan pequeño como queramos. Esto es esencialmente la causa de la singularidad, donde el campo gravitatorio se vuelve infinito. En la gravedad cuántica de bucles, el tejido del espacio-tiempo tiene una estructura similar, que no se puede dividir más allá de la baldosa más pequeña. Mis colegas y yo hemos demostrado que este es el caso dentro de los agujeros negros y, por lo tanto, no hay singularidad", explica Singh en un comunicado.
En lugar de la singularidad, la gravedad cuántica de bucle predice un embudo hacia otra rama del espacio-tiempo. "Estas unidades de geometría tipo baldosas, llamadas 'excitaciones cuánticas', que resuelven el problema de la singularidad, son órdenes de magnitud más pequeñas de las que podemos detectar con la tecnología actual, pero tenemos ecuaciones matemáticas precisas que predicen su comportamiento", añade Abhay Ashtekar, otro de los investigadores, que es además es uno de los padres fundadores de la gravedad cuántica de bucles.
"En LSU, hemos estado desarrollando técnicas computacionales de vanguardia para extraer las consecuencias físicas de estas ecuaciones físicas mediante el uso de superordenadores, lo que nos acerca más a probar de manera confiable la gravedad cuántica", especifica Singh.
Fallo de Einstein
La teoría de Einstein falla no solo en el centro de los agujeros negros, sino también en explicar cómo se creó el universo a partir de la singularidad del Big Bang. Por lo tanto, hace una década, Ashtekar, Singh y sus colaboradores comenzaron a extender la física más allá del Big Bang e hicieron nuevas predicciones utilizando la gravedad cuántica de bucles. Usando las ecuaciones matemáticas y las técnicas computacionales de la gravedad cuántica de bucle, mostraron que el Big Bang es reemplazado por el "Big Bounce".
El Big Bounce (Gran Rebote) es un modelo científico relacionado con la formación del Universo conocido, según el cual el Big Bang fue el resultado del colapso de un universo anterior. Esto sugiere que podríamos estar viviendo en el primero de todos los universos, pero es posible que estemos viviendo en el universo número dos mil millones (o cualquiera de una secuencia infinita de universos).
Pero, el problema de superar la singularidad del agujero negro es excepcionalmente complejo, advierten los investigadores. "El destino de los agujeros negros en una teoría cuántica de la gravedad es, en mi opinión, el problema más importante en la física teórica", señala Jorge Pullin, profesor de física teórica de Horace Hearne en LSU, quien no formó parte de este estudio.
La teoría de Einstein falla no solo en el centro de los agujeros negros, sino también en explicar cómo se creó el universo a partir de la singularidad del Big Bang. Por lo tanto, hace una década, Ashtekar, Singh y sus colaboradores comenzaron a extender la física más allá del Big Bang e hicieron nuevas predicciones utilizando la gravedad cuántica de bucles. Usando las ecuaciones matemáticas y las técnicas computacionales de la gravedad cuántica de bucle, mostraron que el Big Bang es reemplazado por el "Big Bounce".
El Big Bounce (Gran Rebote) es un modelo científico relacionado con la formación del Universo conocido, según el cual el Big Bang fue el resultado del colapso de un universo anterior. Esto sugiere que podríamos estar viviendo en el primero de todos los universos, pero es posible que estemos viviendo en el universo número dos mil millones (o cualquiera de una secuencia infinita de universos).
Pero, el problema de superar la singularidad del agujero negro es excepcionalmente complejo, advierten los investigadores. "El destino de los agujeros negros en una teoría cuántica de la gravedad es, en mi opinión, el problema más importante en la física teórica", señala Jorge Pullin, profesor de física teórica de Horace Hearne en LSU, quien no formó parte de este estudio.
Referencias
Quantum Transfiguration of Kruskal Black Holes. Abhay Ashtekar, Javier Olmedo, and Parampreet Singh. Phys. Rev. Lett. 121, 241301. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.241301
Quantum extension of the Kruskal spacetime. Abhay Ashtekar, Javier Olmedo, and Parampreet Singh. Phys. Rev. D 98, 126003. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.126003
Quantum Transfiguration of Kruskal Black Holes. Abhay Ashtekar, Javier Olmedo, and Parampreet Singh. Phys. Rev. Lett. 121, 241301. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.241301
Quantum extension of the Kruskal spacetime. Abhay Ashtekar, Javier Olmedo, and Parampreet Singh. Phys. Rev. D 98, 126003. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.126003