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16 de Febrero de 2021
Física teórica

Los agujeros negros podrían tener «pelo»

Un trabajo muestra que ciertos agujeros negros violarían el resultado conocido como «teorema de no pelo» y que dicho fenómeno podría ser detectable mediante ondas gravitacionales.

Hasta ahora, la teoría de la relatividad general de Einstein parecía indicar que los agujeros negros solo podían tener tres propiedades: masa, carga eléctrica y momento angular. Otras características, conocidas bajo el nombre genérico de «pelo», se pensaba que no podrían existir. [d1sk/iStock]

Dos gemelos idénticos no tienen nada que ver con dos agujeros negros. Aunque los primeros hayan crecido a partir del mismo diseño genético, pueden diferir en mil aspectos, desde el temperamento hasta el peinado. En cambio, y según parecía desprenderse hasta ahora de la teoría de la gravedad de Albert Einstein, los agujeros negros solo pueden presentar tres características: masa, momento angular y carga eléctrica. Si dos agujeros negros tienen valores idénticos de estos parámetros, serán totalmente imposibles de distinguir. Los físicos expresan esta propiedad diciendo que «los agujeros negros no tienen pelo».

«En la relatividad general clásica serían exactamente idénticos», afirma Paul Chesler, físico teórico de Harvard. «No habría ninguna manera de diferenciarlos.»

No obstante, en los últimos años, los físicos han comenzado a preguntarse si el resultado conocido como «teorema de no pelo» es estrictamente cierto. En 2012, el matemático Stefanos Aretakis, por entonces en la Universidad de Cambridge y ahora en la de Toronto, halló que algunos agujeros negros podrían presentar inestabilidades en el horizonte de sucesos. Dichas inestabilidades harían que algunas regiones del horizonte ejercieran una atracción gravitatoria más intensa que otras, lo que permitiría distinguir agujeros negros que, en principio, deberían serían idénticos.

Sin embargo, sus cálculos se referían a los agujeros negros conocidos como «extremos»; es decir, aquellos que, para una masa dada, presentan el valor más alto posible de la carga eléctrica o del momento angular. Y hasta donde saben los físicos, «estos agujeros negros no pueden existir en la naturaleza, al menos de manera exacta», aclara Chesler.

Pero ¿qué ocurre si en su lugar consideramos un agujero negro casi extremo, uno cuyos parámetros se acerquen a esos valores límite pero sin alcanzarlos del todo? En teoría, tales objetos sí deberían poder existir. ¿Podrían también exhibir violaciones detectables del teorema de no pelo?

Según un artículo reciente, la respuesta es afirmativa. Más aún, dicho «pelo» podría llegar a detectarse en los observatorios de ondas gravitacionales.

«Básicamente, Aretakis sugirió que había información que se quedaba en el horizonte», explica Gaurav Khanna, físico de las universidades de Massachusetts y Rhode Island y uno de los autores del estudio. «Nuestro trabajo abre la puerta a la posibilidad de medir ese pelo.»

En concreto, los científicos sugieren que algunos eventos pasados —ya sea del proceso de formación del agujero negro o de perturbaciones posteriores, como la caída de materia en él— podrían dejar un remanente en forma de inestabilidades gravitatorias en el horizonte de sucesos o en sus inmediaciones. «Cabría esperar una señal gravitatoria muy distinta de la que observaríamos en el caso de un agujero negro no extremo ordinario», añade Khanna.

Si los agujeros negros tienen pelo y retienen de esta manera información sobre su pasado, ello podría tener importantes implicaciones para la paradoja de la información de los agujeros negros, planteada hace décadas por Stephen Hawking, explica Lia Medeiros, astrofísica del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton. Dicha paradoja destila el conflicto fundamental que existe entre la relatividad general y la mecánica cuántica, los dos grandes pilares de la física del siglo XX. «Si se viola uno de los supuestos [de la paradoja de la información], tal vez podamos resolver la paradoja», indica Medeiros. «Uno de esos supuestos es el teorema de no pelo.»

Las ramificaciones de un resultado semejante serían amplias. «Si podemos demostrar que, en el exterior de un agujero negro, el espaciotiempo no es como pensábamos, creo que eso tendría enormes implicaciones en relatividad general», continúa la experta, coautora de un artículo publicado hace unos meses donde se analizaba si la geometría observada en los agujeros negros era compatible con las predicciones.

Con todo, puede que el aspecto más interesante del trabajo de Khanna y sus colaboradores sea la posibilidad de conectar las observaciones de agujeros negros con la física fundamental. La detección de pelo en los agujeros negros (posiblemente, los laboratorios astrofísicos más extremos del universo) podría servir para sondear ideas en teoría de cuerdas y gravedad cuántica de una forma que hasta ahora nunca había sido posible.

«Uno de los grandes problemas con la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica es lo difícil que resulta poner a prueba sus predicciones», continúa Medeiros. «Por tanto, dar con algo comprobable, aunque fuera remotamente, sería increíble.»

Sin embargo, sigue habiendo grandes obstáculos. Por un lado, no es seguro que los agujeros negros casi extremos existan (las mejores simulaciones suelen reproducir agujeros negros que se quedan a un 30 por ciento del límite extremo). E incluso si existen, no queda claro si los observatorios de ondas gravitacionales serían capaces de alcanzar la sensibilidad necesaria para detectar dichas inestabilidades. Por último, todo parece indicar que ese pelo tendría una vida efímera, de apenas unas fracciones de segundo.

Pero el artículo en sí, al menos en principio, parece sólido. «No creo que nadie en la comunidad lo ponga en duda», opina Chesler. «No es especulativo. Simplemente, las ecuaciones de Einstein son tan complejas que cada año descubrimos nuevas propiedades sobre ellas.»

El siguiente paso será determinar qué tipo de señales deberían buscar los detectores de ondas gravitacionales, ya se trate de LIGO y Virgo (los observatorios actualmente en funcionamiento) o de instrumentos futuros, como LISA, el detector espacial proyectado por la Agencia Espacial Europea.

«Ahora deberíamos continuar a partir de su trabajo, calcular cuál debería ser la frecuencia de esa radiación gravitacional y entender cómo podríamos medirla e identificarla», apunta Helvi Witek, astrofísica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. «El siguiente paso será ir más allá de este bonito e importante estudio teórico para analizar cuál sería su huella.»

Hay muchas razones para querer hacerlo. Aunque las posibilidades de lograr una detección que demuestre que el artículo es correcto son escasas, un descubrimiento así no solo supondría un reto para lo que hasta ahora parecía indicar la teoría de la relatividad general de Einstein, sino que demostraría la existencia de agujeros negros casi extremos.

«Nos encantaría saber si la naturaleza permite la existencia de semejantes monstruos», concluye Khanna. «Tendría implicaciones espectaculares en nuestro campo.»

Jonathan O'Callaghan/Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Scalar and gravitational hair for extreme Kerr black holes»; Lior M. Burko, Gaurav Khanna y Subir Sabharwal en Physical Review D, vol. 103, art. L021502, 26 de enero de 2021.

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