Ninguna noción en física puede ser más alucinante que un agujero negro, un pozo infinitesimal en el espacio-tiempo cuya gravedad es tan fuerte que nada puede escapar. Pero, ¿podrían los objetos oscuros muy densos disfrazarse de agujeros negros? Un nuevo estudio sugiere que no. Las simulaciones muestran cómo cualquier objeto material lo suficientemente denso como para parecerse a un agujero negro sería inestable, ya sea inflándose en algo menos denso o colapsando para formar un agujero negro de todos modos.
“El rincón de la teoría en el que puedes producir cosas que se verán como un agujero negro se está volviendo cada vez más estrecho”, dice Emanuele Berti, un teórico de ondas gravitacionales de la Universidad Johns Hopkins que no participó en el nuevo trabajo. Irónicamente, incluso cuando el resultado hace que los impostores de agujeros negros sean menos plausibles, el interés en ellos está creciendo, dicen los investigadores, ya que las teorías pronto se podrán probar con observaciones astronómicas.
Un agujero negro es el campo gravitatorio fantasmal que queda cuando una estrella masiva se quema y colapsa bajo su propia gravedad hasta un punto infinitesimal. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein dice que la gravedad surge cuando la masa o la energía deforman el espacio-tiempo, y en un agujero negro la energía en el propio espacio-tiempo estirado sostiene la deformación. A cierta distancia del punto, ni siquiera la luz puede escapar. Esa distancia marca la característica definitoria del agujero negro, su horizonte de eventos.
Durante décadas, la evidencia de los agujeros negros permaneció indirecta. Luego, en 2016, los físicos detectaron ondas fugaces en el espacio-tiempo que se desencadenaron cuando dos agujeros negros masivos giraron juntos a mil millones de años luz de la Tierra. Desde entonces, los científicos han detectado docenas de fusiones similares. En 2019, los astrónomos del equipo Event Horizon Telescope (EHT) utilizaron antenas de radio en todo el mundo para obtener imágenes del agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia Messier 87. En 2022, también tomaron imágenes del agujero negro en nuestra propia galaxia.
Pero, ¿son esos objetos realmente agujeros negros? Ninguna fuerza conocida puede detener el colapso de una estrella suficientemente masiva. Aún así, suponiendo que alguna física desconocida pueda detener el colapso, algunos teóricos han reflexionado sobre si un «objeto ultracompacto» formado por materia exótica podría ser lo suficientemente denso para imitar las observaciones atribuidas a los agujeros negros, pero no tan denso como para formar un horizonte de eventos. Ahora, sin embargo, Pedro Cunha, físico teórico de la Universidad de Aveiro, y sus colegas han demostrado que un objeto de este tipo sería de corta duración, condenado por su mismo parecido con un agujero negro.
Su argumento implica otra distancia especial desde el centro de un agujero negro. Fuera del horizonte de sucesos, la gravedad del agujero negro desvía la trayectoria de la luz que pasa y, a cierta distancia, se desvía en un círculo cerrado. Esa distancia define el anillo de luz del agujero negro. Los fotones que pasan dentro de él giran en espiral hacia el horizonte de sucesos; los que están fuera de él son simplemente desviados.
Para imitar un agujero negro, un objeto ultracompacto debe tener un anillo de luz propio, dice Vitor Cardoso, astrofísico teórico del Instituto Niels Bohr. Esto se debe a que las señales que ven los observadores de los supuestos agujeros negros se originan en el anillo de luz, explica Cardoso. Las imágenes de EHT brillan con la radiación que emana del gas caliente en el anillo de luz. En las ondas gravitatorias de la fusión de un agujero negro, el sonido del objeto fusionado proviene de la ondulación del espacio-tiempo en su anillo de luz, dice Cardoso.
Sin embargo, los físicos han sospechado que cualquier ultracompacto con un anillo de luz sería inestable. A diferencia de un agujero negro, cualquier objeto material lo suficientemente denso como para formar un anillo de luz debe formar un segundo, uno dentro del otro. Esto se debe a que el centro de un agujero negro es un agujero de alfiler en el espacio-tiempo, pero dentro de un objeto material, el espacio-tiempo permanece intacto. Sin hacer un agujero en el espacio-tiempo, es imposible deformarlo para hacer un solo anillo de luz, tanto como es imposible girar 180° una banda elástica sin cortarla.
Con dos anillos de luz, la luz gira lejos del exterior y hacia el interior. Como resultado, la energía debería acumularse en el anillo de luz interior, distorsionando aún más el espacio-tiempo y, en última instancia, provocando que el objeto colapse o se hinche. O al menos esa es la expectativa, dice Nicolás Sanchis-Gual, astrofísico teórico de la Universidad de Valencia y autor del nuevo artículo. La relatividad general es tan compleja que «resolver eso con lápiz y papel es imposible», dice.
Entonces, Cunha, Sanchis-Gual y sus colegas usaron simulaciones numéricas. Modelaron objetos ultracompactos hipotéticos llamados estrellas bosónicas, que consistirían en partículas que podrían amontonarse para formar una esfera más densa que una estrella de neutrones, el objeto material más denso conocido. En comparación con algunas ideas, las estrellas de bosón “son modelos muy concretos que son teóricamente sólidos y están bien motivados”, dice Cunha. Las simulaciones mostraron que la acumulación de energía en el anillo de luz interior hizo que la estrella del bosón colapsar en un agujero negro o explotar en un objeto menos denso sin anillos de luz, informan los investigadores en un artículo en prensa en Cartas de revisión física.
Fundamentalmente, el objeto ultracompacto cambia rápidamente, señala Berti. Anteriormente, los teóricos no podían descartar la posibilidad de que pudiera cambiar solo durante miles de millones de años, haciéndolo efectivamente permanente. Las nuevas simulaciones sugieren que solo duraría una fracción de segundo. “Quedaba esta pequeña escapatoria”, dice Berti, “y ahora esa escapatoria se ha ido”.
Aún así, las simulaciones de dos modelos no pueden descartar todas las alternativas a los agujeros negros, dice Cardoso. Y predice que ahora que los científicos pueden observar supuestos agujeros negros, querrán considerar la posibilidad, por remota que sea, de que no sean lo que creen que son. “Dame la evidencia cuantitativa de que estoy viendo agujeros negros”, dice. “Asumir no es ciencia”.
