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Artículo publicado el 19 de febrero de 2016 en la Universidad de Cambridge

Los investigadores ha simulado con éxito cómo un agujero negro en forma de anillo provoca un colapso de la relatividad general: suponiendo que el universo contiene al menos cinco dimensiones, claro.

Los investigadores han demostrado cómo un agujero negro con una forma extravagante podría provocar que la teoría general de la relatividad, una de las bases de la física moderna, colapse. Sin embargo, tal objeto 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 una forma de anillo muy fino, que da paso a una serie de ‘bultos’ conectados mediante cuerdas que se hacen más finas con el paso del tiempo. Estas cuerdas finalmente se hacen tan finas que se cortan formando una serie de agujeros negros en miniatura, de forma similar a como un fino flujo de agua se rompe en gotitas. Los agujeros negros en forma de anillo se ‘descubrieron’ en 2002, pero ésta es la primera vez que se ha simulado con éxito su dinámica usando supercomputadores. De existir este tipo de agujero negro, llevaría a la aparición de una ‘singularidad desnuda’, la cual provocaría que las ecuaciones subyacentes a la relatividad general colapsaran. Los resultados del estudio se publican en la revista Physical Review Letters.

Anillo negro

Anillo negro Crédito: Universidad de Cambridge

La relatividad general apuntala nuestra comprensión actual de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas del universo, a la señal GPS de la que dependemos para orientarnos, se basa en las ecuaciones de Einstein. En parte, la teoría nos dice que la materia curva el espacio-tiempo a su alrededor, y que lo que conocemos como gravedad es el efecto de dicha curvatura. En los 100 años que han pasado desde su publicación, la relatividad general ha superado cada prueba que se le ha puesto, pero una de sus limitaciones es la existencia de las singularidades.

Una singularidad es un punto en el cual la gravedad es tan intensa que el espacio, el tiempo, y las propias leyes de la física, colapsan. La relatividad general predice que las singularidades aparecen en el centro de los agujeros negros, y que están rodeadas por un horizonte de sucesos – el punto de ‘no retorno’, donde el tirón gravitatorio es tan fuerte que escapar de él es imposible, lo que significa que nada puede observarse desde fuera.

“Siempre que las singularidades se mantengan ocultas tras 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 (DAMTP). “Siempre que la conjetura de la censura cósmica sea válida, podemos predecir con seguridad el futuro fuera de los agujeros negros debido a que, en última instancia, lo que tratamos de hacer en física es predecir el futuro dado un conocimiento actual del estado del universo”.

Pero, ¿qué pasaría si existiese una singularidad fuera del horizonte de sucesos? De ser así, no sólo sería visible desde el exterior, sino que representaría a un objeto que ha colapsado hasta una densidad infinita, un estado que provoca el colapso de las leyes de la física. Los físicos teóricos han propuesto la teoría de que tal objeto, conocido como singularidad desnuda, podría aparecer en dimensiones superiores.

“Si existen las singularidades desnudas, la relatividad general colapsaría”, dice el coautor Saran Tunyasuvunakool, también estudiante de doctorado en DAMTP. “Y si colapsa la relatividad general, pondría todo patas arriba, debido a que no tendríamos poder predictivo –dejaría de considerarse una teoría autónoma para explicar el universo”.

Pensamos en el universo como una entidad en tres dimensiones, más la cuarta dimensión del tiempo, a las que nos referimos conjuntamente como espacio-tiempo. Pero, en algunas ramas de la física teórica, como en la teoría de cuerdas, el universo podría tener hasta 11 dimensiones. Las dimensiones adicionales podrían ser grandes y expansivas, o minúsculas y curvadas sobre sí mismas, y difícilmente detectables. Dado que los humanos sólo podemos percibir directamente tres dimensiones, las dimensiones extra sólo pueden deducirse a través de experimentos de muy alta energía, tales como aquellos que se llevan a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones.

La propia teoría de Einstein no especifica cuántas dimensiones hay en el universo, por lo que los físicos teóricos han estado estudiando la relatividad general en dimensiones superiores para ver si se mantiene la censura cósmica. El descubrimiento de agujeros negros en forma de anillo en cinco dimensiones ha llevado a los investigadores a teorizar que podría romperse y dar lugar a una singularidad desnuda.

Lo que han encontrado los investigadores de Cambridge, junto al coautor Pau Figueras de la Universidad Queen Mary de Londres, es que si el anillo es lo bastante fino, puede llevar a la formación de singularidades desnudas.

Usando el supercomputador COSMOS, los investigadores lograron realizar una simulación completa de la teoría de Einstein en dimensiones superiores, lo que les permitió no sólo confirmar que estos ‘anillos negros’ son inestables, sino también identificar su destino final. En la mayor parte de ocasiones, un anillo negro colapsa en una esfera, de tal modo que la singularidad quedaría contenida dentro del horizonte de sucesos. Sólo un anillo negro muy fino sería tan inestable como para formar bultos conectados por cuerdas cada vez más finas, que finalmente se romperían derivando en una singularidad desnuda. Se necesitaron nuevas técnicas de simulación y código para manejar estas formas tan extremas.

“Cuanto mejores sean las simulaciones de la teoría de la gravedad de Einstein en dimensiones superiores, más fácil será para nosotros ayudar con el avance en nuevas técnicas de computación – estamos empujando los límites de lo que se puede hacer en un computador cuando se trata de la teoría de Einstein”, comenta Tunyasuvunakool. “Pero, si no se mantiene la censura cósmica en dimensiones superiores, entonces puede que se necesite revisar qué hay tan especial en un universo en cuatro dimensiones para que allí si se mantenga”.

La conjetura de la censura cósmica se espera, en general, que se mantenga en nuestro universo de cuatro dimensiones pero, si se demuestra falsa, tendría que identificarse una forma alternativa de explicar el universo. Una posibilidad es la gravedad cuántica, que aproxima las ecuaciones de Einstein lejos de una singularidad, pero también proporciona una descripción de una nueva física cerca de la singularidad.

Referencias

Pau Figueras, Markus Kunesch, and Saran Tunyasuvunakool ‘End Point of Black Ring Instabilities and the Weak Cosmic Censorship Conjecture.’ Physical Review Letters (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.071102

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