El modelo teórico ofrece una nueva perspectiva sobre la formación y evolución de los agujeros negros

Los agujeros negros son regiones del espacio caracterizadas por campos gravitatorios tan intensos que ni la materia ni la radiación pueden escapar de ellos. Son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein, con un punto de densidad infinita no física en su centro.

Basado en la teoría clásica de la relatividad general, toda la materia que se formó en un agujero negro finalmente termina en su centro. Esta predicción específica se conoce como el «problema de la singularidad».

En uno de sus trabajos seminales, Stephen Hawking demostró que los agujeros negros irradian energía y que desaparecen lentamente. Sin embargo, su trabajo sugiere que la radiación emitida por los agujeros negros no contiene toda la información sobre la materia que se formó. En astrofísica, esto se conoce como el «problema de pérdida de información».

Investigadores de la Universidad de New Brunswick en Canadá desarrollaron recientemente un modelo teórico que abordaría de manera efectiva tanto el problema de la singularidad como el problema de la pérdida de información, al tiempo que arrojaría más luz sobre cómo la materia colapsa para formar agujeros negros. El modelo que idearon, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión físicaofrece una perspectiva alternativa sobre la formación y evolución de los agujeros negros a la propuesta por las teorías clásicas.

«La cuestión del destino de un agujero negro y qué sucede con la materia (o información) que lo formó ha sido un problema abierto durante cincuenta años», Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz y Edward Wilson-Ewing, los investigadores. quien llevó a cabo el estudio, le dijo a Phys.org, por correo electrónico. «Se cree ampliamente que se requiere una teoría de la gravedad cuántica para resolver este problema. Sabemos mucho sobre cómo la materia que se derrumba forma agujeros negros en la relatividad general, pero la cuestión de cómo se produce el colapso en la gravedad cuántica también es un problema abierto».

El objetivo clave del trabajo reciente de Husain y sus colegas fue introducir un modelo que aborde con precisión el problema de la singularidad y el colapso gravitacional al mismo tiempo. Para hacer esto, utilizaron una construcción de gravedad cuántica de bucles para incorporar la discreción fundamental del espacio en las ecuaciones clásicas que describen el colapso gravitacional.

«Estudiamos el problema utilizando materia de polvo simple que no ejerce presión porque este es el tipo de materia más simple; su movimiento se describe mediante una ecuación manejable que se puede resolver en una computadora portátil», explicó Husain. «Esta ecuación es una versión modificada de las ecuaciones clásicas de Einstein, que incorpora la discreción fundamental del espacio a nivel microscópico».

El método numérico que los investigadores utilizaron en su estudio fue desarrollado por Sergei K. Godunov, un renombrado científico ruso que estaba realizando una investigación teórica centrada en problemas de flujo de fluidos. En particular, este método puede manejar la formación de ondas de choque, el fenómeno físico que ocurre cuando un objeto se mueve a velocidades supersónicas y empuja el aire circundante (por ejemplo, cuando un chorro atraviesa la barrera del sonido).

«Seguimos la evolución de una nube de partículas de polvo que colapsaban hasta formar un agujero negro», dijeron Husain, Kelly, Santacruz y Wilson-Ewing. «El método numérico nos permitió seguir la evolución de la materia incluso dentro de la región del agujero negro hacia el punto donde estaría la singularidad en la solución clásica».

La ecuación cuántica corregida por la gravedad presentada por Husain y sus colegas resuelve el problema de la singularidad de forma más dinámica que los modelos clásicos. Más específicamente, sugiere que la materia cae en el centro del agujero negro, alcanza una densidad grande pero finita y luego rebota, formando una onda de choque.

«Los efectos de la gravedad cuántica son importantes en la onda de choque y le permiten moverse hacia afuera dentro del agujero negro, lo que no es posible cuando se usan ecuaciones clásicas», dijeron los investigadores. «Al mismo tiempo, la curvatura del espacio-tiempo aumenta, pero nunca diverge (como ocurre en la teoría clásica)».

Usando la herramienta numérica introducida por Godunov, los investigadores también pudieron calcular la vida útil de un agujero negro, desde su formación hasta su desaparición, cuando una onda de choque emerge de su horizonte y los horizontes comienzan a desaparecer. Curiosamente, el tiempo de vida del agujero negro que calcularon es mucho más corto que el tiempo de evaporación predicho por Hawking. Esto sugiere que su modelo podría ayudar a resolver el problema de la pérdida de información, pero será necesario realizar más estudios para confirmarlo.

Además, la ecuación esbozada por Husain y sus colegas introduce la producción de ondas de choque en el desarrollo de agujeros negros. En el futuro, podría incitar a los astrónomos a evaluar la posibilidad de detectar las ondas de choque que emanan de los agujeros negros.

«Si esto resulta posible, nuestros resultados pueden proporcionar una explicación fácil, pero esto también requiere una exploración más cuidadosa», agregaron los investigadores. «En nuestros próximos estudios, nos gustaría intentar establecer si el problema de la pérdida de información está realmente resuelto, estudiar otros tipos de materia que ejercen presión y otros tipos de nubes de materia, para ver si nuestro resultado de ondas de choque permanece cualitativamente sin cambios. Si este resulta ser el caso, entonces las ondas de choque podrían ser una firma universal que marque la muerte de un agujero negro».

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