Un agujero negro de cinco dimensiones contra la relatividad de Einstein

Lo que han hecho los científicos es simular con éxito un agujero negro con la forma de un anillo muy delgado, lo que da lugar a una serie de «protuberancias» o «bultos» conectados por cuerdas que se vuelven cada vez más delgadas con el tiempo. Estas cuerdas llegan a hacerse tan finas que se desgarran en una serie de agujeros negros en miniatura, similares a un fino chorro de agua de un grifo que se rompe en gotas.

Los agujeros negros en forma de anillo fueron «descubiertos» por los físicos teóricos en 2002, pero esta es la primera vez que su dinámica se ha simulado con éxito utilizando superordenadores. Si se formase un agujero negro así, daría lugar a la aparición de una «singularidad desnuda», que descompondría las ecuaciones de la relatividad general.

La relatividad general se basa en nuestra actual comprensión de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, a las señales GPS de las que dependemos para ayudarnos a desplazarnos, se basa en las ecuaciones de Einstein. En parte, la teoría nos dice que la materia deforma el espacio-tiempo de su entorno, y lo que llamamos gravedad es el efecto de esa deformación. En los 100 años desde que se publicó, la relatividad general ha pasado todas las pruebas, pero una de sus limitaciones es la existencia de singularidades.

Una singularidad es un punto donde la gravedad es tan intensa que el espacio, el tiempo y las leyes de la física, se descomponen. La relatividad general predice que existen singularidades en el centro de los agujeros negros, y que están rodeados de un horizonte de sucesos -el punto de no retorno-, donde la atracción gravitatoria se vuelve tan fuerte que es imposible escapar, lo que significa que no pueden ser observados desde fuera.

«Mientras las singularidades permanecen ocultas detrás de un horizonte de sucesos, no causan problemas y la relatividad general se sostiene. La conjetura de la censura cósmica dice que este es siempre el caso», dice el coautor del estudio, Markus Kunesch, estudiante de doctorado en el Departamento de Matemática Aplicada y Física teórica (DAMTP) de la Universidad de Cambridge. «Mientras la conjetura de la censura cósmica sea válida, podemos predecir con seguridad el futuro fuera de los agujeros negros. Porque, en definitiva, lo que estamos tratando de hacer en la física es predecir el futuro dado el conocimiento sobre el estado del universo ahora»,

Pero, ¿y si existiera una singularidad fuera de un horizonte de sucesos? Si así fuera, no sólo sería visible desde el exterior, sino que representaría un objeto que ha colapsado a una densidad infinita, un estado que hace que las leyes de la física se descompongan. Los físicos teóricos han planteado la hipótesis de que tal cosa, llamada una singularidad desnuda, podría existir en dimensiones más altas.

«Si existen singularidades desnudas, la relatividad general se rompe», apunta Saran Tunyasuvunakool, también estudiante de doctorado de DAMTP. «Y si la relatividad general se rompe, sería poner todo al revés, porque ya no tendría ningún poder predictivo, ya no podría ser considerada como una teoría autónoma para explicar el universo».

Pensamos en el Universo tal como existe en tres dimensiones, además de la cuarta dimensión del tiempo, que en conjunto se denomina el espacio-tiempo. Sin embargo, en las ramas de la física teórica, como la teoría de cuerdas , el universo podría estar compuesto por un máximo de 11 dimensiones. Esas dimensiones adicionales podrían ser grandes y expansivas, o pequeñas, enroscadas y difíciles de detectar. Dado que los seres humanos sólo pueden percibir directamente tres dimensiones, la existencia de dimensiones extra sólo puede inferirse a través de experimentos de muy alta energía, como los llevadas a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ubicado en el subsuelo de la frontera franco-suiza.

La propia teoría de Einstein no indica cuántas dimensiones existen en el Universo, por lo que los físicos teóricos han estado estudiando la relatividad general en dimensiones más altas para ver si la censura cósmica aún se mantiene. El descubrimiento de los agujeros negros en forma de anillo en cinco dimensiones llevó a los investigadores a plantear la hipótesis de que podrían dar lugar a una singularidad desnuda.

Lo que la nueva investigación ha encontrado es que si el anillo es lo suficientemente delgado, puede conducir a la formación de singularidades desnudas.

Utilizando el superordenador COSMOS, los investigadores fueron capaces de realizar una simulación completa de la teoría de Einstein en dimensiones más altas, lo que les permitió no sólo confirmar que estos anillos negros son inestables, sino también identificar su destino final. La mayor parte del tiempo, un anillo negro se derrumba de nuevo en una esfera, de modo que la singularidad se quedaría contenida dentro del horizonte de sucesos. Sólo un anillo negro muy fino llega a ser suficientemente inestable como para formar protuberancias conectadas por cuerdas más y más delgadas, y con el tiempo se desprenden y forma una singularidad desnuda. Se requieren técnicas de simulación y un código informático nuevos para manejar estas formas extremas.

Se espera que la conjetura de la censura cósmica sea cierta en nuestro universo de cuatro dimensiones, pero en caso de que sea refutada, sería necesario identificar una forma alternativa de explicar el universo. Una posibilidad es la gravedad cuántica, que se aproxima a las ecuaciones de Einstein lejos de una singularidad, pero también proporciona una descripción de una nueva física cerca de la singularidad.