Los Agujeros Negros y los Agujeros Gusanos (Gustavo González Urdaneta)

 

Los Agujeros Negros y los Agujeros Gusanos

Gustavo González Urdaneta

Miami 1 junio 2022

 

Nuestra comprensión de los agujeros negros proviene de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que describe la gravedad como algo que surge de la curvatura del espacio y el tiempo. Esta deformación del espacio-tiempo hace que las trayectorias de los cuerpos masivos y la luz se doblen, y a eso lo llamamos gravedad.

 

Si la masa está lo suficientemente concentrada en una vecindad lo suficientemente pequeña, la deformación del espacio-tiempo cercano es tan fuerte que la luz misma no puede escapar de una región dentro de lo que llamamos el horizonte de eventos: tenemos un agujero negro. Y si nada puede viajar más rápido que la luz, incluida la información, todo debe quedar atrapado dentro de este límite. Los agujeros negros se convierten en sumideros cósmicos que atrapan información junto con la luz y la materia.

 

No fue hasta la detección de los cuásares, que permiten a los astrónomos ver la luz emitida por la materia al caer en los agujeros negros, que tenemos evidencia de que se trataba de objetos reales y no de curiosidades matemáticas predichas por la teoría general de la relatividad de Einstein. Los cuásares son objetos extremadamente brillantes alimentados por gas que cae sobre agujeros negros supermasivos. Son algunas de las cosas más luminosas del universo, visibles en los confines de los espacios.

 

Un equipo internacional de científicos presentó el 10 de abril 2019 la primera foto de un agujero negro, un hecho que puede considerarse un logro histórico de la astrofísica. Divulgada por la red de observatorios conocida como el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT por sus siglas en ingles), la imagen es un hito que pone a prueba uno de los pilares de la física moderna: la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, presentada en 1915. El horizonte de eventos separa la región del agujero negro del resto del Universo y es la superficie límite del espacio a partir de la cual ninguna partícula puede salir, incluyendo la luz. Matemáticamente, escapar del horizonte de sucesos es imposible, dado que significaría la inversión del tiempo.

 

Hay dos formas de hacer un agujero negro. La imagen convencional del proceso que formó los primeros agujeros negros supermasivos, donde las estrellas agotaron su combustible nuclear, colapsaron en explosiones de supernova, dejando agujeros negros. Al devorar rápidamente las estrellas y el gas cercanos, se convirtieron en agujeros negros mucho más grandes, pero parece incapaz de explicar el enorme tamaño de los agujeros negros que deben alimentar a los cuásares más antiguos. Una idea más nueva sugiere que algunos discos de gas colapsaron directamente en agujeros negros en lugar de evolucionar en estrellas y galaxias. Si este agujero negro luego choca con una galaxia cercana, podría haber crecido rápidamente al alimentarse de las estrellas y el gas de esa galaxia, produciendo una "galaxia de agujero negro obesa" que el telescopio podría detectar.

 

Los agujeros negros pueden ser grandes o pequeños. Según científicos de la NASA, un agujero negro teóricamente puede ser del tamaño de un átomo, pero tener una masa de una gran montaña. Los científicos creen que los agujeros negros estelares son el producto de la implosión de una supernova, mientras que los agujeros negros supermasivos se forman junto con las galaxias. Al mismo tiempo, los objetos más pequeños aparecieron con la creación del Universo.

 

Después de revelar su teoría general de la relatividad en 1915, Albert Einstein quedó preocupado por un gran agujero en su argumento. Concibió una nueva teoría sobre todo el Universo, en la que también decía que cuando las estrellas colapsaban formaban agujeros negros. En esa época, y por varios años más, se creía que lo agujeros negros no existían, que eran artefactos de las matemáticas. Incluso Einstein pensaba así. Pero algo le molestaba:

 

En el centro del agujero negro, alcanzabas la singularidad, el punto en el que toda la materia se comprime a tamaño 0 y, por ende, densidad infinita. A Einstein, como buen físico, no le gustaba algo que contiene materia pero cuyo tamaño es 0. Entonces, con el físico estadounidense-israelí Nathan Rosen, publicaron un artículo en el que señalaron que si cambiaban un poco las matemáticas, esa singularidad se convierte en un puente que lleva del centro del agujero negro a otro lugar, quizás a otro agujero negro o incluso a un agujero blanco.

 

Un agujero negro, como ya dijimos, es algo que absorbe todo: la materia e incluso la luz que cae en él, no vuelve a salir. Un agujero blanco es lo opuesto: no se traga nada sino que escupe todo. La idea era que quizás todo lo que caía en un agujero negro era expulsado al otro extremo, que era un agujero blanco. Eso es lo que se conoce como el puente Einstein-Rosen. Y ese es el nombre original de los agujeros de gusano. Este último término fue introducido por el físico teórico estadounidense John Wheeler en 1957.

 

Por estos ‘atajos’ se podría viajar, siempre a velocidades inferiores a la de la luz, a otros lugares distantes del universo, y también hacia el futuro, no al pasado, de acuerdo a los principios de la física. De momento estos túneles espaciotemporales son puramente teóricos, no se ha descubierto ninguno, pero los físicos no dejan de plantear formas de atravesarlos sin que se cierre su ‘garganta’ por la atracción gravitatoria. Las dos últimas propuestas llegan desde Europa (Universidad Complutense de Madrid) y EE UU (Universidad de Princeton). En principio los dos estudios son consistentes con los principios de la física conocida, aunque entre ambos grupos existen algunas discrepancias al respecto.

 

Muchos de ustedes se deben acordar de la novela "Contacto" (1985) de Carl Sagan que fue llevada a la pantalla grande en 1997 en una película con el mismo nombre protagonizada por Jodie Foster.

La trama original de la novela consistía en que cinco tripulantes se sumergían en un  agujero de gusano (ellos creían era un agujero negro), creado por alienígenas, para llegar al planeta que ellos habitaban, a 26 años luz de distancia, donde los estaban esperando. Pero la física no estaba de su lado.

 

Era el detalle sobre el uso de esos puentes Einstein-Rosen lo que le preocupaba a Sagan. Al fin y al cabo, a pesar de que lo que estaba escribiendo era una obra de ficción, era un científico y no estaba a gusto con esa situación así que le pidió ayuda a un amigo, quien resultó ser nada menos que uno de los principales expertos en Relatividad del mundo: Kip Thorne. Cuando Thorne se puso a jugar con las ecuaciones de campo de Einstein, se dio cuenta de que era teóricamente posible crear un tipo completamente nuevo de "agujero de gusano transitable". Y fue así como la ciencia ficción generó una teoría moderna de agujeros de gusano, más tarde publicada en una revista de Física, que abrió un área de investigación completamente nueva.

 

Según la teoría general de la relatividad de Einstein, los agujeros de gusano no solo pueden usarse para viajar a través del espacio, sino también a través del tiempo. El cosmólogo Andrew Pontzen en un programa de la BBC señaló que "Si eres capaz de crear dos extremos de un agujero de gusano que enlazan dos espacios, y tomas uno de esos extremos y lo mandas en un viaje a la velocidad de la luz, lo que estarías haciendo es enviarlo al futuro. Así, tendrías un agujero de gusano que no sólo te lleva de un lugar a otro sino también de una época a otra. Así, podrías viajar del presente al futuro, no al pasado. Puedes irte de visita al futuro y volver al presente... no puedes irte a antes del momento en el que creaste tu agujero de gusano pero sí volver a ese momento".

 

En la trilogía de "Back to the Future" o "Volver al futuro" que empezó el mismo año en el que Sagan publicó su libro, su protagonista no sólo viaja al pasado, sino que puede alterarlo. La noción de poder cambiar el pasado, según los especialistas, es errónea: hay leyes de física que te protegen. Aunque es común que en la ciencia ficción las ignoren, y con razón, pues si existe el peligro de que cambies el pasado y borres tu existencia -como ocurre en 'Volver al futuro'-, eso es dramático y excitante.

 

Pero desde el punto de vista de la Física, la línea temporal está protegida: no puedes cambiar algo que ya pasó porque, por definición, ya sucedió. Sin embargo, hay una manera de cambiar el pasado: produciendo otro universo, que es parte de un multiverso que contiene todas las diferentes versiones del resultado que tus acciones han creado. Según la Física, eso es perfectamente factible.

 

Pero la historia se complicó por lo que puede ser el mayor descubrimiento de Stephen Hawking con su predicción de 1974 de que los agujeros negros se evaporan. Este hallazgo también condujo a la idea inicial de que los agujeros negros destruyen la información cuántica. De acuerdo con la mecánica cuántica, surgen pares de "partículas virtuales" todo el tiempo, en todas partes. Por lo general, un par de este tipo, que consta de una partícula y su contraparte de antimateria, se aniquila rápidamente, pero si se forma cerca del horizonte de un agujero negro, una partícula podría aparecer dentro de este límite y la otra fuera. La partícula exterior puede escapar, llevándose energía.

 

La ley de conservación de la energía nos dice que el agujero negro ha perdido energía, por lo que la emisión de tales partículas hace que el agujero negro se encoja con el tiempo hasta que desaparezca por completo. El problema es que las partículas que escapan, conocidas como radiación de Hawking, esencialmente no llevan información sobre lo que entró en el agujero negro. Por lo tanto, los cálculos de Hawking parecen mostrar que la información cuántica que cae en un agujero negro finalmente se destruye, lo que contradice la mecánica cuántica. Tal vez eso lo usó Sagan para explicar que cuando la protagonista de la película regresa la apreciación es que ella nunca viajó (igual que los cinco tripulantes de la novela)pero la cinta de la grabación tenía 18 horas de duración pero sin información, puro ruido.

 

Ciencia ficción aparte, obviamente, algo está profundamente mal. Es tentador concluir que la falla está en el análisis original de Hawking y que de alguna manera la información escapa de un agujero negro que emite radiación de Hawking. El desafío aquí es que este escenario entraría en conflicto con un concepto fundamental de la física actual, el principio de localidad, que establece que la información no puede moverse de un lugar a otro superlumínicamente, es decir, más rápido que la velocidad de la luz. Pero de acuerdo con nuestra definición de agujeros negros, la única forma de escapar de uno es viajar más rápido que la luz, por lo que si la información escapa, debe hacerlo de forma superlumínica, en conflicto con la localidad. En las casi cinco décadas desde el descubrimiento de Hawking, los físicos han tratado de encontrar una escapatoria a este argumento que se mantiene dentro de la física convencional, pero no ha surgido ninguna.

 

La creciente evidencia de agujeros negros sugiere que hay objetos en el universo que se ven y actúan de manera muy parecida a los agujeros negros clásicos, sin grandes desviaciones de las predicciones de Einstein. ¿Está la relatividad general de Einstein tan drásticamente equivocada en su descripción de los agujeros negros, o podría haber algunos efectos más inocuos y actualmente desconocidos que deslocalizan la información y permiten que se filtre de los agujeros negros, evitando una falla tan dramática de toda la imagen del espacio-tiempo?

 

Recientes investigaciones científicas han encontrado dos escenarios a tales efectos. Uno, “fuerte y no violento”, en el cual se altera la geometría del espacio-tiempo cerca de un agujero negro, lo que hace que se doble y se ondule de una manera que depende de la información del agujero negro, pero suavemente preservando la información que se encuentre en el horizonte. En el segundo,  "débil y no violento", en el cual las pequeñas fluctuaciones cuánticas de la geometría del espacio-tiempo cerca del agujero negro pueden transferir información a las partículas que emanan del agujero. En las últimas hipótesis que se investigan, un agujero negro tendría efectivamente un "halo cuántico" que lo rodea, donde las interacciones transmiten información a su entorno.

 

En cuanto a los agujeros gusanos son muchas las preguntas sin respuesta: ¿Podríamos crearlos y manipularlos haciendo uso de alguna tecnología avanzada? ¿Son parte del universo? ¿Son estables para permitir viajes humanos? ¿Siempre están abiertos o solamente durante un tiempo limitado?

 

“Son las preguntas que no podemos responder las que nos enseñan más. Nos enseñan cómo pensar.“  Patrick Rothfuss,