Los pretendientes al agujero negro podrían ser estrellas cuánticas extrañas
(Crédito de la imagen: Shutterstock)
Por Charles Q. Choi, para SCIENTIFIC AMERICAN Marzo 25 de 2018
Cuando las estrellas gigantes mueren, no se desvanecen. En su lugar, colapsan sobre sí mismos, dejando atrás un resto estelar comprimido, generalmente una bola de neutrones superdensos del tamaño de una ciudad, apropiadamente llamada estrella de neutrones. En casos extremos, sin embargo, la mayoría de los teóricos creen que una estrella gigante que está por explotar formará un agujero negro: una "singularidad" puntual con densidad efectivamente infinita y un campo gravitatorio tan poderoso que ni siquiera la luz, la cosa más rápida del universo, puede escapar una vez que cae in. Ahora un nuevo estudio está revitalizando una idea alternativa, que los objetos con nombres como "estrellas negras" o "gravastars" podrían existir a mitad de camino entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Si es real, estos cadáveres estelares exóticos deberían parecer casi idénticos a los agujeros negros, salvo de una forma clave: no podrían tragar la luz de manera irrecuperable.
Hay buenas razones para buscar tales alternativas, porque los agujeros negros plantean una serie de problemas teóricos. Por ejemplo, supuestamente sus singularidades están ocultas por límites invisibles conocidos como horizontes de eventos. Lanza algo a un agujero negro, y una vez que pase el horizonte del evento, desaparecerá para siempre sin ninguna esperanza de retorno. Pero esa aniquilación tan profunda choca con otras leyes físicas de larga data que sugieren que la destrucción de la información es imposible, incluida la información codificada dentro de cualquier cosa que caiga en los agujeros negros.
Concebidos y desarrollados a lo largo de las últimas dos décadas, en parte para eludir tales acertijos, los modelos de estrellas negras y gravastars postulan que estos objetos carecerían de singularidades y horizontes de eventos. Pero las preguntas han persistido en cuanto a si tales objetos podrían realmente formarse y permanecer estables después de que lo hicieron. Una nueva investigación del físico teórico Raúl Carballo-Rubio en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados en Italia proporciona un nuevo mecanismo que podría permitir la existencia de estrellas negras y gravastars.
Carballo-Rubio investigó un extraño fenómeno conocido como polarización cuántica de vacío . La física cuántica, la mejor descripción de cómo se comportan todas las partículas subatómicas conocidas, sugiere que la realidad es difusa, limitando la precisión con que uno puede conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia; por ejemplo, nunca se puede saber la posición y el momento de una partícula en al mismo tiempo. Una consecuencia extraña de esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío , sino que se forma con las llamadas "partículas virtuales" que continuamente fluctúan dentro y fuera de la existencia.
En la presencia de cantidades gigantescas de energía del tipo producido por el colapso de una investigación de estrellas gigantes descubrió que estas partículas virtuales pueden polarizarse u organizarse según sus propiedades, de forma similar a como los imanes se dividen en polos norte y sur. Carballo-Rubio calculó que la polarización de estas partículas puede producir un efecto sorprendente dentro de los poderosos campos gravitacionales de estrellas gigantes moribundas, un campo que repele en lugar de atraer.
La materia y la energía curvan el tejido del espacio-tiempo, dando como resultado campos gravitacionales, de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. Los planetas y las estrellas tienen una cantidad de energía positiva en promedio, y los campos gravitacionales resultantes son de naturaleza atractiva. Sin embargo, cuando las partículas virtuales se polarizan, el vacío que ocupan puede en promedio poseer energía negativa, y "esto curva el espacio-tiempo de manera que el campo gravitacional asociado es repulsivo", dice Carballo-Rubio. Lo cual, por supuesto, podría prevenir la formación de un agujero negro. (Un fenómeno similar provoca remanentes estelares relativamente ligeros para formar estrellas de neutrones en lugar de agujeros negros, sus campos gravitacionales no son lo suficientemente fuertes como para aplastar a los neutrones en una singularidad).
Dos modelos anteriores sugirieron que la gravedad repulsiva podría evitar que los restos estelares colapsen para formar agujeros negros. Uno de los restos estelares propuestos en cambio formaba gravastars, objetos llenos de vacío cuántico superpuestos por una delgada capa de materia. El otro modelo sugirió que el resultado de estos colapsos eran estrellas negras, donde "la materia y el vacío cuántico se entrelazan en toda la estructura en un equilibrio meticuloso", dice Carballo-Rubio. Ambos objetos aún tienen poderosos campos gravitacionales que deforman profundamente la luz, por lo que se ven oscuros, como agujeros negros.
Carballo-Rubio dice que anteriormente había una gran incertidumbre con respecto a las propiedades de las estrellas negras y gravastars. Su nuevo trabajo abordó este problema al crear un marco matemático que incorporó los efectos de la gravedad repulsiva en ecuaciones que describen la expansión y contracción de las estrellas, un problema "que se pensaba era tratable solo con la ayuda de computadoras", señala. Su nuevo modelo sugiere que podría existir un híbrido entre una estrella negra y una estrella grava, una en la que la materia y el vacío cuántico se extienden por toda la estructura, pero con la materia en concentraciones más altas en el caparazón que en el núcleo. Carballo-Rubio detalló su estudio en línea el 6 de febrero en Physical Review Letters.
"Este trabajo es interesante y vale la pena, y muestra que pueden existir nuevas clases de soluciones para las ecuaciones de Einstein que no son agujeros negros", dice el físico de investigación Emil Mottola del Laboratorio Nacional Los Alamos, que no participó en el estudio.
Sin embargo, algunos investigadores afirmarían que los efectos cuánticos en los que Carballo-Rubio basa su argumento son insignificantes. Como tal, pueden ser demasiado débiles para apoyar la existencia de estrellas negras y gravastars, dice el físico teórico Paolo Pani de la Universidad de Sapienza de Roma, que no participó en este trabajo.
Además, mientras que el trabajo de Carballo-Rubio argumenta que las estrellas negras y los gravastars son matemáticamente posibles, eso "no implica que existan en la naturaleza", dice la física Cecilia Chirenti de la Universidad Federal de ABC en Brasil, que no participó en la investigación. . Por ejemplo, Pani señala que aún no está claro si los restos estelares pueden evolucionar naturalmente para formar estas estructuras. Además, Mottola dice: "Caballo-Rubio no explica por qué su solución es estable y lo que evita que colapse hasta convertirse en un agujero negro".
Una manera de averiguar si las estrellas negras, los gravastars o los agujeros negros realmente existen es mediante el análisis de las ondas gravitacionales desatadas por lo que los científicos actualmente interpretan como la fusión de los agujeros negros. Cuando cualquier masa se mueve, genera ondas gravitatorias que viajan a la velocidad de la luz, estirándose y exprimiendo el espacio-tiempo a lo largo del camino.
A medida que los agujeros negros se vuelven en espiral uno hacia el otro, cada uno de ellos debe emitir ondas gravitacionales, pero sus horizontes de eventos deberían absorber aquellos que caen directamente sobre ellos. Debido a que las estrellas negras y las gravastars carecen de horizontes de eventos, sin embargo, pueden reflejar ondas gravitatorias, y los observatorios LIGO y VIRGO podrían detectar estos "ecos", dice Pani. Si se descubren tales señales, podrían arrojar luz sobre la relatividad general y la física cuántica que podrían ayudar a conducir a un modelo de "gravedad cuántica", combinando ambas teorías a largo plazo, agrega.
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Una nueva investigación revela un posible mecanismo que permite la existencia de "estrellas negras" y "gravastars"
(Crédito de la imagen: Shutterstock)
Por Charles Q. Choi, para SCIENTIFIC AMERICAN Marzo 25 de 2018
Cuando las estrellas gigantes mueren, no se desvanecen. En su lugar, colapsan sobre sí mismos, dejando atrás un resto estelar comprimido, generalmente una bola de neutrones superdensos del tamaño de una ciudad, apropiadamente llamada estrella de neutrones. En casos extremos, sin embargo, la mayoría de los teóricos creen que una estrella gigante que está por explotar formará un agujero negro: una "singularidad" puntual con densidad efectivamente infinita y un campo gravitatorio tan poderoso que ni siquiera la luz, la cosa más rápida del universo, puede escapar una vez que cae in. Ahora un nuevo estudio está revitalizando una idea alternativa, que los objetos con nombres como "estrellas negras" o "gravastars" podrían existir a mitad de camino entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Si es real, estos cadáveres estelares exóticos deberían parecer casi idénticos a los agujeros negros, salvo de una forma clave: no podrían tragar la luz de manera irrecuperable.
Hay buenas razones para buscar tales alternativas, porque los agujeros negros plantean una serie de problemas teóricos. Por ejemplo, supuestamente sus singularidades están ocultas por límites invisibles conocidos como horizontes de eventos. Lanza algo a un agujero negro, y una vez que pase el horizonte del evento, desaparecerá para siempre sin ninguna esperanza de retorno. Pero esa aniquilación tan profunda choca con otras leyes físicas de larga data que sugieren que la destrucción de la información es imposible, incluida la información codificada dentro de cualquier cosa que caiga en los agujeros negros.
Concebidos y desarrollados a lo largo de las últimas dos décadas, en parte para eludir tales acertijos, los modelos de estrellas negras y gravastars postulan que estos objetos carecerían de singularidades y horizontes de eventos. Pero las preguntas han persistido en cuanto a si tales objetos podrían realmente formarse y permanecer estables después de que lo hicieron. Una nueva investigación del físico teórico Raúl Carballo-Rubio en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados en Italia proporciona un nuevo mecanismo que podría permitir la existencia de estrellas negras y gravastars.
Carballo-Rubio investigó un extraño fenómeno conocido como polarización cuántica de vacío . La física cuántica, la mejor descripción de cómo se comportan todas las partículas subatómicas conocidas, sugiere que la realidad es difusa, limitando la precisión con que uno puede conocer las propiedades de las unidades más básicas de la materia; por ejemplo, nunca se puede saber la posición y el momento de una partícula en al mismo tiempo. Una consecuencia extraña de esta incertidumbre es que el vacío nunca está completamente vacío , sino que se forma con las llamadas "partículas virtuales" que continuamente fluctúan dentro y fuera de la existencia.
En la presencia de cantidades gigantescas de energía del tipo producido por el colapso de una investigación de estrellas gigantes descubrió que estas partículas virtuales pueden polarizarse u organizarse según sus propiedades, de forma similar a como los imanes se dividen en polos norte y sur. Carballo-Rubio calculó que la polarización de estas partículas puede producir un efecto sorprendente dentro de los poderosos campos gravitacionales de estrellas gigantes moribundas, un campo que repele en lugar de atraer.
La materia y la energía curvan el tejido del espacio-tiempo, dando como resultado campos gravitacionales, de acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein. Los planetas y las estrellas tienen una cantidad de energía positiva en promedio, y los campos gravitacionales resultantes son de naturaleza atractiva. Sin embargo, cuando las partículas virtuales se polarizan, el vacío que ocupan puede en promedio poseer energía negativa, y "esto curva el espacio-tiempo de manera que el campo gravitacional asociado es repulsivo", dice Carballo-Rubio. Lo cual, por supuesto, podría prevenir la formación de un agujero negro. (Un fenómeno similar provoca remanentes estelares relativamente ligeros para formar estrellas de neutrones en lugar de agujeros negros, sus campos gravitacionales no son lo suficientemente fuertes como para aplastar a los neutrones en una singularidad).
Dos modelos anteriores sugirieron que la gravedad repulsiva podría evitar que los restos estelares colapsen para formar agujeros negros. Uno de los restos estelares propuestos en cambio formaba gravastars, objetos llenos de vacío cuántico superpuestos por una delgada capa de materia. El otro modelo sugirió que el resultado de estos colapsos eran estrellas negras, donde "la materia y el vacío cuántico se entrelazan en toda la estructura en un equilibrio meticuloso", dice Carballo-Rubio. Ambos objetos aún tienen poderosos campos gravitacionales que deforman profundamente la luz, por lo que se ven oscuros, como agujeros negros.
Carballo-Rubio dice que anteriormente había una gran incertidumbre con respecto a las propiedades de las estrellas negras y gravastars. Su nuevo trabajo abordó este problema al crear un marco matemático que incorporó los efectos de la gravedad repulsiva en ecuaciones que describen la expansión y contracción de las estrellas, un problema "que se pensaba era tratable solo con la ayuda de computadoras", señala. Su nuevo modelo sugiere que podría existir un híbrido entre una estrella negra y una estrella grava, una en la que la materia y el vacío cuántico se extienden por toda la estructura, pero con la materia en concentraciones más altas en el caparazón que en el núcleo. Carballo-Rubio detalló su estudio en línea el 6 de febrero en Physical Review Letters.
"Este trabajo es interesante y vale la pena, y muestra que pueden existir nuevas clases de soluciones para las ecuaciones de Einstein que no son agujeros negros", dice el físico de investigación Emil Mottola del Laboratorio Nacional Los Alamos, que no participó en el estudio.
Sin embargo, algunos investigadores afirmarían que los efectos cuánticos en los que Carballo-Rubio basa su argumento son insignificantes. Como tal, pueden ser demasiado débiles para apoyar la existencia de estrellas negras y gravastars, dice el físico teórico Paolo Pani de la Universidad de Sapienza de Roma, que no participó en este trabajo.
Además, mientras que el trabajo de Carballo-Rubio argumenta que las estrellas negras y los gravastars son matemáticamente posibles, eso "no implica que existan en la naturaleza", dice la física Cecilia Chirenti de la Universidad Federal de ABC en Brasil, que no participó en la investigación. . Por ejemplo, Pani señala que aún no está claro si los restos estelares pueden evolucionar naturalmente para formar estas estructuras. Además, Mottola dice: "Caballo-Rubio no explica por qué su solución es estable y lo que evita que colapse hasta convertirse en un agujero negro".
Una manera de averiguar si las estrellas negras, los gravastars o los agujeros negros realmente existen es mediante el análisis de las ondas gravitacionales desatadas por lo que los científicos actualmente interpretan como la fusión de los agujeros negros. Cuando cualquier masa se mueve, genera ondas gravitatorias que viajan a la velocidad de la luz, estirándose y exprimiendo el espacio-tiempo a lo largo del camino.
A medida que los agujeros negros se vuelven en espiral uno hacia el otro, cada uno de ellos debe emitir ondas gravitacionales, pero sus horizontes de eventos deberían absorber aquellos que caen directamente sobre ellos. Debido a que las estrellas negras y las gravastars carecen de horizontes de eventos, sin embargo, pueden reflejar ondas gravitatorias, y los observatorios LIGO y VIRGO podrían detectar estos "ecos", dice Pani. Si se descubren tales señales, podrían arrojar luz sobre la relatividad general y la física cuántica que podrían ayudar a conducir a un modelo de "gravedad cuántica", combinando ambas teorías a largo plazo, agrega.
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