¿Qué son los agujeros blancos? ¿Existen realmente?
En la Relatividad General, los agujeros blancos son matemáticamente tan plausibles como los agujeros negros. Los agujeros negros son reales; ¿Qué pasa con los agujeros blancos?
En nuestro Universo, las leyes de la física nos dicen todas las posibilidades de lo que es concebible que exista, pero sólo observando, midiendo y experimentando con nuestro Universo mismo podemos determinar qué es verdaderamente real. En la Relatividad General de Einstein, una de las primeras posibilidades que se descubrió fue la de un agujero negro: una región del espacio con tanta materia y energía en un solo lugar que desde dentro de ese volumen, nada, ni siquiera la luz, podría jamás escapar. La otra cara de la moneda es una solución matemática igualmente posible que es lo opuesto a un agujero negro: un agujero blanco, del cual surgirán espontáneamente materia y energía.
Se ha demostrado, mediante muchos tipos diferentes de observaciones, que los agujeros negros no sólo son físicamente reales, sino que también son bastante abundantes en todo el Universo. ¿Qué pasa con los agujeros blancos? ¿Qué son? ¿Son físicamente reales también? Eso es lo que Kristin Houser quiere saber y pregunta:
“[Me] encontré con una publicación de blog aleatoria sobre los agujeros blancos y me pregunté si alguna vez habías escrito sobre ellos. […] Apuesto a que cualquier cosa que escribas sería mucho mejor que lo que aparece en la página 1 de Google”.
Es una de las posibilidades más fascinantes jamás concebidas. Echemos un vistazo profundo a todo lo que sabemos.
La idea de los agujeros blancos tiene mucho más sentido si se comienza con su contraparte mucho más familiar: el agujero negro. Fue ideada por primera vez en el siglo XVIII por John Michell , quien se refirió a ellas como «estrellas oscuras», y se dio cuenta de que así como todas las masas en el Universo tienen una «velocidad de escape» de su superficie, es decir, hay una cierta velocidad que uno debe alcanzar para escapar completamente de su atracción gravitacional: que si se reúne suficiente masa en un volumen lo suficientemente pequeño, esa velocidad de escape alcanzaría o excedería la velocidad de la luz. Dado que nada puede moverse más rápido que esa velocidad, estos objetos solo absorberían luz y materia, pero nunca emitirían nada desde una distancia determinada: su horizonte de sucesos .
La idea original se presentó dentro del contexto de la gravedad newtoniana, pero en 1915 se publicó la Teoría General de la Relatividad de Einstein, que reemplazó a la de Newton y la reemplazó por una ley de gravedad más completa. Sin embargo, los agujeros negros persistieron: se demostró que surgían dentro de la teoría de Einstein ya en 1916, y también se descubrieron versiones de agujeros negros con cargas eléctricas y momento angular (es decir, espín), así como masa. Una vez más, con suficiente masa en una región del espacio, la creación de un agujero negro sería casi inevitable.
Una de las cosas fascinantes que deben suceder dentro del horizonte de sucesos de un agujero negro, según las leyes de la relatividad, es la formación de una singularidad. Una singularidad, a la que a veces se hace referencia en broma como un lugar donde “Dios dividido por cero”, es donde las leyes de la física fallan. En el caso de un agujero negro, es donde las reglas que describen el espacio y el tiempo ya no son aplicables; es como si en ese lugar no obtuvieras más que tonterías como respuesta a cualquier pregunta física que puedas hacerle al sistema.
Independientemente de la configuración de materia y energía inicial que tuviera antes de la formación de un agujero negro, una vez que ese material colapsa y forma un horizonte de sucesos, no se puede evitar la creación de una singularidad. Si solo tienes masa en tu agujero negro, esa singularidad será un punto, rodeado por un horizonte de sucesos esférico. Si su agujero negro también tiene momento angular (es decir, si gira), entonces esa singularidad se difumina en un anillo unidimensional: y aún así, las leyes de la física fallan en todas partes a lo largo de ese anillo, dando nuevamente respuestas sin sentido a cualquier pregunta. que involucra tiempo o espacio.
Sin embargo, aunque no emiten luz por sí mismos, sus efectos sobre la materia (desde estrellas binarias compañeras hasta gas y material que caen hasta fotones que se doblan y distorsionan por la gravedad del agujero negro) han revelado su presencia durante muchas décadas, culminando una hace unos años con la imagen directa de la luz curvada alrededor del propio horizonte de sucesos de un agujero negro.
Entonces, si se trata de un agujero negro, ¿qué es entonces un agujero blanco?
Hay dos maneras de verlo. Una es simplemente reconocer que la Relatividad General es una teoría simétrica en el tiempo: si observas un sistema de materia y energía en movimiento a través de la estructura del espacio a lo largo del tiempo, no puedes decir si el reloj avanza o retrocede. Las predicciones de la Relatividad General son simétricas en el tiempo, lo que significa que los objetos se mueven, aceleran e interactúan según las mismas leyes en ambos casos.
Esto se aplica incluso a casos extraños. Dos agujeros negros, que orbitan entre sí en forma de descomposición y emiten ondas gravitacionales, obedecen las mismas reglas físicas que dos agujeros negros que orbitan entre sí y absorben ondas gravitacionales de su entorno, alejándose cada vez más con el tiempo. Una nube de materia en contracción que se fragmenta en grupos que eventualmente formarán estrellas obedece las mismas reglas que una serie de grupos de materia en expansión que se separan de sus puntos de origen y se difunden en una nube grande y esponjosa.
Y la materia que colapsa para formar un horizonte de sucesos y luego una singularidad, es decir, un agujero negro, obedece exactamente las mismas reglas que una singularidad de la que emergen la materia y la energía, así como el espacio y el tiempo. Considerar el caso de un agujero negro invertido en el tiempo es una forma poderosa de concebir un agujero blanco.
Otra forma de pensar en un agujero blanco no es invertir la flecha del tiempo, sino pensar en lo que sucede si tratamos el espacio como reversible. Antes de rascarse la cabeza preguntándose cómo es posible algo así, tenga en cuenta que tenemos un análogo de eso en el mundo real: un orbe esférico reflejado. Si pusieras un espejo esférico en el espacio, serías capaz de ver un reflejo de todo el Universo exterior en él, simplemente mirando el espejo desde la perspectiva correcta.
Bueno, el espacio-tiempo dentro y fuera de los horizontes de sucesos de un agujero negro se comporta de manera muy análoga exactamente a esa situación. Si consideramos un agujero negro que está definido sólo por una masa puntual, es decir, un agujero negro de Schwarzschild, entonces, para cualquier valor de masa/energía que tenga el agujero negro, también podemos definir un radio específico (lo llamamos “ R ”) para el horizonte de sucesos del agujero negro.
Puedes hacer todo tipo de preguntas sobre “cómo se comporta el espacio” a cualquier distancia de ese agujero negro, y en su lugar podemos llamar a esa distancia “ r ”. Ahora hay tres casos:
- r > R , lo que nos sitúa fuera del horizonte de sucesos.
- r = R , lo que nos sitúa en el horizonte de sucesos.
- Y r < R , lo que nos sitúa dentro del horizonte de sucesos.
Ahora viene la parte complicada: invertir el espacio. Todo lo que tenemos que hacer es reemplazar r , dondequiera que lo veamos, con su inverso relativo al horizonte de eventos: ℛ, que podemos definir como ℛ = R² / r .
Sorprendentemente, ahora tenemos esos mismos tres casos, ¡pero todo está al revés!
- ℛ > R , lo que nos sitúa dentro del horizonte de sucesos,
- ℛ = R , lo que nos sitúa en el horizonte de sucesos,
- y ℛ < R , lo que nos sitúa fuera del horizonte de sucesos.
A pesar de que ahora se trata del conjunto de condiciones opuesto para un agujero negro, las ecuaciones que describen el espacio y el tiempo son idénticas en ambos casos.
Lo que esto significa, entonces, es que si pretendemos que un agujero negro está “invertido” de adentro hacia afuera, de modo que cada punto desde el interior del horizonte de sucesos de un agujero negro (incluida su singularidad en r = 0) ahora corresponda a un punto fuera de horizonte de sucesos de un agujero negro (donde la singularidad ahora va a todas partes en r = ∞), y viceversa: recuperamos el comportamiento idéntico. La única diferencia es que lo que estaba afuera ahora está adentro y lo que estaba adentro ahora está afuera; simplemente está al revés. En lugar de un agujero negro, este objeto «invertido» ahora puede considerarse como un agujero blanco.
Una de las preguntas que los físicos suelen plantearse es la siguiente: cuando algo cruza al otro lado (es decir, al interior) del horizonte de sucesos de un agujero negro, ¿adónde va? Claro, se puede decir simplemente “entra en la singularidad central del agujero negro”, pero esa es una respuesta insatisfactoria, especialmente porque sabemos que las leyes de la física fallan en esa singularidad.
Una posibilidad que a menudo se considera es que la singularidad podría no ser sólo un punto al que las cosas “van” después de caer en un horizonte de sucesos, sino que también podría ser un punto del que las cosas “emergen”. En lugar de ser simplemente “el final” de la historia, podría ser “el comienzo” de una historia nueva y diferente.
En otras palabras, es completamente plausible que haya eventos que correspondan a grandes cantidades de materia y energía que surjan en un lugar y momento específicos que parezcan corresponder también a una singularidad. Nuestro Universo no sólo podría tener agujeros negros, sino que también podría haber agujeros blancos: lugares donde las cosas parecen comenzar a partir de una singularidad inicial. A los físicos no se les escapa que, en muchos sentidos, esto parece corresponder a un evento notable que ocurrió hace 13.800 millones de años: el Big Bang caliente.
Esto plantea la fascinante posibilidad de que exista una conexión entre los agujeros negros y el surgimiento de un nuevo Universo . Cada vez que nuestro Universo forma un nuevo agujero negro, ¿surge un Universo bebé, análogo a un agujero blanco, en algún lugar al otro lado de una singularidad?
¿Implica esto también que nuestro Universo, y nuestro propio Big Bang caliente, surgieron de un estado no tan diferente de un agujero blanco, y fue posiblemente causado por un Universo anterior que formó un agujero negro, del cual nuestra aparición fue la consecuencia?
Hay un cálculo divertido que se puede hacer con sólo un poco de esfuerzo y que sugiere que esta idea podría tomarse en serio. Si sumaras toda la materia y la radiación dentro del Universo observable (todos los átomos, todos los agujeros negros, toda la materia oscura, todos los fotones y todos los neutrinos) obtendrías un valor para la «masa» efectiva. del Universo observable. (Después de todo, si la ecuación más famosa de Einstein nos dice que E = mc² , entonces también es cierto que m = E/c² , por lo que podemos obtener un valor de masa equivalente para todas las cosas que poseen energía). Si luego imaginaras que toda esa masa se utilizó para crear un agujero negro, podrías calcular cuál es el radio esperado para un agujero negro con un horizonte de sucesos con una masa equivalente a la que hay dentro de nuestro Universo observable.
La respuesta que se obtiene para «¿qué tamaño tendría el horizonte de sucesos de un agujero negro con la masa equivalente a toda la materia y radiación dentro del Universo observable?» Es una cifra notable: unos 16,5 mil millones de años luz. Esto es aproximadamente un tercio del radio real hasta el borde del Universo observable: 46,1 mil millones de años luz. De hecho, si no fuera por la presencia de energía oscura (si tuviéramos más materia normal, materia oscura, neutrinos o fotones en lugar de energía oscura), estos dos valores en realidad serían iguales.
Aunque no observamos ninguna evidencia de agujeros blancos dentro de nuestro Universo, el hecho de que hayamos tenido un Big Bang y el hecho de que tengamos agujeros negros dentro de nuestro Universo es bastante consistente con la idea de que hay un «agujero blanco» en el El otro extremo de cada agujero negro que jamás se haya creado.
De hecho, profundizando en la maleza, si preguntas qué sucede cuando caes más allá del horizonte de sucesos exterior de un agujero negro en rotación, resulta que lo que experimentas se parece mucho a lo que creemos que nuestro Universo experimentó justo antes de la explosión. Inicio del Big Bang caliente: un período de expansión exponencial, muy similar a lo que hoy conocemos como inflación cósmica.
Pero, ¿existen realmente los agujeros blancos? La verdad es que nunca hemos visto uno y no esperamos encontrar uno dentro de nuestro Universo. Desafortunadamente, los horizontes de eventos son muy buenos para “ocultar” cualquier otra cosa que ocurra al otro lado de ellos. Puede que haya algo muy interesante en las ubicaciones centrales dentro de cada agujero negro de nuestro Universo, pero nunca podremos acceder a ellos. Puede que haya ocurrido algo muy interesante en lo que dio origen a nuestro Universo antes del inicio de la inflación cósmica y sus consecuencias: el Big Bang caliente, pero no tenemos forma de obtener información sobre ese momento.
La cruda verdad, por mucho que la detestemos, es que la cantidad de información presente en el Universo es finita y nos hace incapaces de reconstruir lo que está pasando (o lo que pasó) al “otro lado” de estos eventos. Vale la pena tener en cuenta que la Relatividad General admite que los agujeros blancos tienen la misma posibilidad que los agujeros negros, pero que sólo se ha encontrado evidencia observacional de agujeros negros dentro de nuestro Universo. Si bien las matemáticas pueden indicar las posibilidades de lo que podría ocurrir, sólo las observaciones, las mediciones y los experimentos pueden indicar lo que ocurre dentro del Universo. Los agujeros blancos siguen siendo una posibilidad intrigante, pero su existencia, en este momento, sólo puede decirse que es, en el mejor de los casos, especulativa.
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