singularidad de agujero negro

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

La idea era hermosa: tomar un agujero negro BTZ (el análogo tridimensional de un agujero negro ordinario) y alisar su horizonte con una función especial. Entonces, según el plan, en el interior podría cambiar la signatura del espacio-tiempo: el tiempo se volvería espacio y el espacio, tiempo. Pero los cálculos mostraron otra cosa.

En el lejano cosmos existe un objeto hipotético: un agujero negro ultrafrío. Está cargado y se encuentra en un universo en expansión (espacio de Sitter). Su temperatura está cerca del cero absoluto, aproximadamente una billonésima de grado por encima de él.

Un agujero negro girado casi hasta su límite se parece a un atleta que se equilibra al borde del récord. Lo más interesante no ocurre dentro del agujero, sino en la finísima película del espacio-tiempo en su horizonte.

El intérprete se distrae con cada susurro en la sala, y una reunión de una hora se convierte en dos. Una entonación equivocada cambia el significado hasta hacerlo irreconocible. Algo parecido le ocurre a la partícula con espín 3/2: el gravitino. No puede existir en solitario: su "discurso" debe estar perfectamente coordinado con el entorno, o toda la construcción se desmorona.

La luz se congela en el borde del abismo: así se ve el horizonte de sucesos de un agujero negro ordinario. Pero en el centro de ese abismo se esconde una singularidad, un punto donde las leyes de la física dejan de funcionar. ¿Y si en lugar de un punto hubiera una cáscara dura? Un gravastar no es un agujero negro.

Dos casas con fachadas idénticas. Ventanas, puertas, color de las paredes: todo coincide. Pero por dentro, una está vacía y la otra rebosa vida. ¿Cómo saberlo sin entrar? En el espacio hay un problema similar: un agujero negro y un gravastar se ven igual por fuera, pero están construidos de manera diferente.

Una nube de ondas colapsa bajo su propia gravedad. Mientras está difusa, todo sigue el libro de texto: el campo oscila ligeramente en un espacio casi plano, y las fórmulas aproximadas funcionan perfectamente. Pero basta con añadir un poco más de energía y el panorama cambia. Los físicos usaron un modelo numérico para captar el momento en que los cálculos simples dejan de describir la realidad.

En el centro de casi todas las galaxias se esconde un agujero negro supermasivo. Su gravedad es tan intensa que modifica el propio espacio. Pero pocos se preguntan: ¿qué hace con el tejido mismo de la realidad, con los campos que impregnan el cosmos? Uno de esos campos es el campo de Higgs.

El té caliente se enfría, el péndulo se detiene: la naturaleza ama el equilibrio. Pero un agujero negro con carga puede alcanzar un estado especial, extremo: la masa se vuelve mínima y la temperatura cae a cero.

Dos pelotas lanzadas desde alturas diferentes caen al suelo con aceleraciones distintas. En el espacio todo es más complejo: incluso el vacío hace que los cuerpos se muevan de manera diferente.

Un tímpano al borde mismo de una cascada. El sonido aquí se comporta de manera extraña: el eco no se multiplica, sino que se apaga. Así son las ondas gravitacionales en el horizonte de un agujero negro — el límite tras el cual desaparece incluso la luz.

Una fogata arde parejo y durante mucho tiempo. Pero basta un soplo de viento para que la llama se apague, dejando solo brasas. Una historia similar ocurrió con el gravastar, un objeto hipotético que debía reemplazar al agujero negro. Un agujero negro común esconde en su interior una singularidad: un punto donde las leyes de la física se rompen.

La gravedad es el pegamento invisible que mantiene unidas a las estrellas y los planetas. Pero, ¿y si este pegamento tuviera una masa diminuta? En la teoría de la gravedad masiva, las partículas portadoras (llamadas gravitones) pesan muy poco, pero no cero. Esto cambia las reglas del juego cerca de los agujeros negros.

10⁻¹²⁰. No es solo un número pequeño, es un abismo. Esta es la relación entre la densidad de energía oscura y la densidad de Planck, la escala natural de la gravedad cuántica. La colosal diferencia de ciento veinte órdenes de magnitud pareció durante mucho tiempo un enigma insoluble.

En el centro de la Vía Láctea, envuelto en polvo y fulgor, se esconde un agujero negro supermasivo: Sagitario A*. A su alrededor, como polillas alrededor de una llama, giran decenas de estrellas guía. Dos de ellas, S2 y S38, con órbitas excéntricas y períodos de pocos años, se han convertido en protagonistas de la verificación de las leyes fundamentales del cosmos.

El mundo que nos rodea es tridimensional, pero quizá sea solo una apariencia. Algunas teorías admiten que el espacio contiene dimensiones adicionales, plegadas o estiradas de manera especial. Uno de esos modelos dibuja un universo de cinco dimensiones con una dimensión "diluida" (llamada dilatón lineal).

Dos rayos de luz se encuentran en un punto y continúan divergiendo. Sus trayectorias forman dos superficies que se cruzan en el espacio-tiempo: las hipersuperficies nulas (las fronteras a lo largo de las cuales se propaga la luz). Es precisamente sobre este par de superficies donde los físicos saben cómo imponer los datos iniciales para las ecuaciones de Einstein.

Cuando una estrella gigante agota su combustible, colapsa en un agujero negro. Ese agujero tiene un límite exterior — el horizonte de sucesos, del que ni siquiera la luz puede escapar. Pero muchos agujeros negros tienen también un límite interior: un segundo horizonte que separa las capas externas del núcleo de singularidad.

La explosión de una lejana supernova nos contó algo difícil de creer: el mundo se expande cada vez más rápido. El motor de esta aceleración es la energía oscura, casi el 70% de todo lo que existe.

Un objeto no puede ser un punto. Al menos, en la gravedad de Einstein. Las ecuaciones de la relatividad general exigen que la fuente del campo — la materia — esté distribuida en el espacio, no concentrada en un volumen infinitamente pequeño.

La historia comenzó con la escasez de masa. En los años 1930, Fritz Zwicky, midiendo velocidades en cúmulos de galaxias, fue el primero en sospechar la presencia de materia invisible. Más tarde, Vera Rubin mostró que los bordes de las galaxias espirales giran demasiado rápido para la materia visible.

La frontera dicta las reglas La gravedad cuántica se parece a un teatro donde el espacio-tiempo es el escenario y los campos son los actores. Cuando el escenario tiene un borde, hay que saber exactamente qué ocurre en la frontera: de lo contrario, la función se desmorona.

El universo temprano era un lugar turbulento. El espacio vibraba con ondas gravitacionales, ondas en el propio tejido del cosmos. En ese crisol burbujeante, se cree que nació la materia oscura. Pero las partículas recién nacidas no tenían masa; había que obtenerla de algún lugar. Normalmente, el campo de Higgs es el responsable de la masa.

La luz, al pasar cerca de un cuerpo masivo, desvía ligeramente su trayectoria: la gravedad atrae incluso a los rayos. En una situación normal, un haz de luz que proviene de una estrella lejana se comprime, como si lo estiraran con una goma invisible.

El agujero negro de Schwarzschild es el modelo más simple en la relatividad general. Pero al pasar a la gravedad teleparalela (TEGR), donde en lugar de curvatura actúa la torsión, el horizonte presenta un problema. Algunas magnitudes construidas a partir de la torsión tienden a infinito.

La paradoja de los agujeros negros ha atormentado a los físicos durante décadas. Si el agujero desaparece, ¿a dónde va su contenido? Los descubrimientos de Stephen Hawking y Jacob Bekenstein demostraron que para salvar las leyes de la naturaleza se requiere un movimiento no convencional.

La gravedad normal es como una goma blanda. Una estrella masiva, al morir, la hunde tanto que se forma un agujero negro — una trampa de la que no sale nada, ni siquiera la luz. El físico Roger Penrose sugirió que la naturaleza siempre esconde el núcleo en esta «censura cósmica».

El Universo se comporta como una burbuja de jabón que se infla en una espuma multidimensional. El modelo de la burbuja oscura explica por qué se expande cada vez más rápido: la burbuja del espacio-tiempo crece y su membrana adquiere un grosor diminuto, de aproximadamente una micra, como el de una bacteria.

Un agujero negro no es solo una mancha oscura en el cielo. Es un objeto complejo cuyas propiedades dependen de la geometría del espacio-tiempo que lo rodea.

Una estrella se contrae bajo su propia gravedad y, en cierto momento, su destino depende de un equilibrio delicadísimo.

El espacio es como una hoja de papel: la gravedad lo hunde, haciendo que las líneas converjan hacia el centro. Pero si se dobla demasiado, el papel se rasga; así, el espacio, bajo una curvatura extrema, no colapsa en un punto, sino que forma un borde rasgado. Este borde es la frontera cuántica.

Un agujero de gusano es un túnel hipotético en la curvatura del espacio-tiempo que conecta dos regiones distantes del universo y potencialmente acorta el camino entre ellas.

Arroja un puñado de arena en agua tranquila: los círculos se expandirán y desaparecerán. Arrójalo en una batidora en funcionamiento: los remolinos lo mezclarán todo al instante. En física hay una regla similar: el caos no puede crecer más rápido que cierto ritmo.

En la imagen habitual, los agujeros negros son los campeones absolutos en densidad: toda su materia está concentrada en un punto. Es como si toda la masa del Monte Everest cupiera en un grano de sal. Pero los físicos han encontrado un truco teórico.

Un gravitón individual — un cuanto del espacio-tiempo — es increíblemente débil. Para detectores como LIGO, construidos por Rainer Weiss y colegas, los efectos cuánticos están suprimidos en un factor de 10⁻³⁸: es como intentar oír cómo un grano de arena caído en un huracán cambia la…

La materia oscura es la gran invisible del cosmos. No emite, no absorbe, no refleja luz, pero su agarre gravitacional se siente en cada movimiento de las galaxias. Hace setenta años, Vera Rubin demostró que los bordes de las galaxias giran demasiado rápido, como si un pastor invisible las impulsara.

Nuestro Sistema Solar no es una isla en el vacío, sino una telaraña sensible tensada en un rincón oscuro del cosmos. Los planetas giran en sus órbitas como gotas de rocío en los hilos, y nosotros somos la araña que percibe la más mínima vibración. Esa misma vibración delata la cercanía de la catástrofe que los astrónomos llaman Big Rip.

Una estrella moribunda no es simplemente un desvanecimiento. En sus últimos instantes, el núcleo, sin combustible, se comprime sobre sí mismo a una velocidad colosal. La gravedad clásica no deja opción: si la masa es suficiente, nace un agujero negro — una región de la que ni siquiera la luz puede escapar.

Imagina una orquesta afinándose: los violines ascienden, es el familiar «chirrido» de las fusiones de agujeros negros en los detectores LIGO. Ahora imagina una marcha fúnebre: un sonido que desciende, como una sirena que se apaga. Exactamente ese es el sello de ondas gravitacionales que debería dejar un sistema donde una de las masas es negativa.