Los agujeros negros son algunos de los objetos más enigmáticos del universo. Esto se debe en parte a que las ecuaciones de la relatividad general que usamos para entenderlas se descomponen al estudiar agujeros negros‘ centros ultradensos. Sin embargo, un nuevo artículo muestra cómo los astrónomos podrían algún día superar este desafío mediante el uso de ondas gravitacionales para «ver» dentro de los agujeros negros fusionados y aprender de qué están hechos realmente.
En la teoría general de Einstein de relatividad, los agujeros negros son objetos que impiden que la luz se escape debido a su enorme fuerza de gravedad. El límite de un agujero negro se conoce como horizonte de sucesos: si pasa más allá de ese umbral, nunca lo logrará. La relatividad también predice que los centros de los agujeros negros son puntos de densidades infinitamente altas, conocidas como singularidades.
La presencia de singularidades significa que las propias ecuaciones se están rompiendo; comienzan a aparecer infinitos en las matemáticas que impiden más cálculos. Entonces sabemos que la relatividad general es incompleta. Debe haber una teoría más fundamental, probablemente vinculada a la física cuántica de escalas subatómicas, que pueda describir adecuadamente lo que sucede en el centro de un agujero negro.
Todavía no tenemos ninguna teoría cuántica completa de la gravedad, pero tenemos varios candidatos. por ejemplo, hay teoria de las cuerdas, que predice que todas las partículas del universo están hechas de cuerdas vibrantes ultra diminutas. También está la gravedad cuántica de bucles, que dice que el espacio-tiempo en sí mismo está hecho de trozos diminutos e indivisibles como píxeles en la pantalla de una computadora.
Ambos enfoques pueden reemplazar la singularidad tradicional en el centro de un agujero negro con algo más. Pero cuando reemplaza la singularidad, generalmente también elimina el horizonte de eventos. Eso es porque el horizonte de eventos es causado por la atracción gravitatoria infinita de la singularidad. Sin la singularidad, la atracción gravitatoria es simplemente increíblemente fuerte, pero no infinita, por lo que siempre puedes escapar de la vecindad de un agujero negro siempre que huyas con suficiente velocidad.
En algunas variaciones de la teoría de cuerdas, la singularidad y los horizontes de eventos son reemplazados por redes entrelazadas de nudos enredados de espacio-tiempo. En la gravedad cuántica de bucles, la singularidad se convierte en una pepita extremadamente pequeña y extremadamente densa de materia exótica. En otros modelos, todo el agujero negro es reemplazado por una delgada capa de materia o por grupos de nuevos tipos de partículas especulativas.
Microscopios gravitacionales
Misterio del agujero negro
Con el agujeros negros conocidos más cercanos miles de años luz lejos, es difícil probar estos modelos. Pero ocasionalmente los agujeros negros nos envían información crucial, especialmente cuando se fusionan. Cuando lo hacen, liberan inundaciones de ondas gravitacionales, que son ondas en el espacio-tiempo que pueden detectarse con instrumentos sensibles en Tierracomo el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser (LIGO) y los experimentos VIRGO.
Hasta ahora, todas las observaciones de fusiones de agujeros negros concuerdan con el modelo estándar de agujeros negros predicho por la relatividad general. Pero eso puede cambiar en el futuro a medida que las nuevas generaciones de observatorios de ondas gravitacionales entren en funcionamiento, según un artículo publicado el 30 de noviembre en la revista preprint. arXiv sugiere.
La clave no son las ondas gravitacionales emitidas durante la fusión en sí, sino las emitidas inmediatamente después, según el artículo. Cuando la fusión ha terminado y los dos agujeros negros se convierten en un solo objeto, la nueva masa fusionada vibra con una intensa cantidad de energía, como una campana golpeada. Esta fase de «ringdown» tiene una firma de onda gravitacional distintiva.
Al estudiar esas firmas, los investigadores algún día podrán decir qué teorías de agujeros negros se sostienen y cuáles no. Cada modelo de agujero negro predice diferencias en las ondas gravitatorias emitidas durante la fase de reducción, que se derivan de las diferencias en la estructura interior del agujero negro. Con diferentes estructuras de agujeros negros, surgen diferentes tipos de ondas gravitacionales.
Los astrónomos esperan que la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales sea lo suficientemente sensible como para detectar estos pequeños cambios previstos en la firma del anillo. Si lo hacen, alterarán radicalmente nuestra concepción de los agujeros negros y nos impulsarán a desentrañar sus misterios más profundos.
