No todo es negro o blanco

Los agujeros negros son hoy día objetos familiares para los científicos: forman parte del inventario de objetos del universo que se imparte en cualquier curso universitario de astrofísica y de física teórica. Incluso han permeado la opinión pública de forma que son relativamente conocidos para el público general. Constituyen, de hecho, uno de los recursos que habitualmente uso para dar una idea del contenido de mi tesis en esos momentos en que amigos y familiares me preguntan a lo que me dedico en la rutina diaria. Sin embargo, los agujeros negros presentan distintos problemas teóricos, algunos de ellos extensamente conocidos y aceptados por los investigadores (otros no tanto), que llevan a algunas personas a cuestionarse su existencia. Entre esas personas nos encontramos Carlos Barceló del Instituto de Astrofísica de Andalucía, Luis J. Garay de la Universidad Complutense de Madrid, Gil Jannes de la Universidad Carlos III de Madrid, y el autor de esta entrada.

Repasemos brevemente la visión estándar de la formación de un agujero negro y los problemas que presenta. Nos serviremos para ello de lo que se conoce como Gedankenexperiment, o experimento mental: una representación idealizada de la realidad a la que aplicamos las leyes de la física conocida para extraer conclusiones aplicables a nuestro universo. El punto de partida será un universo completamente vacío salvo por una bola de materia con cierto radio y densidad uniforme (es decir, que no posee zonas de distinta concentración, como grumos). La naturaleza particular de la materia no será importante para nuestra discusión ya que las únicas propiedades relevantes serán las gravitatorias, y si de algo hemos de estar seguros, es que toda la materia a nuestro alrededor gravita. Dado este estado inicial nuestro objetivo es entender cuál será su evolución en el tiempo. El primer estadio de dicha evolución es el resultado de una competición entre distintas fuerzas naturales.

Por una parte, la interacción gravitatoria tiene un carácter atractivo con lo que tiende a provocar una contracción o colapso de la distribución esférica de materia. Por otra parte, además de la interacción gravitatoria existen fuerzas con carácter repulsivo cuya tendencia es frenar este colapso. Existen situaciones en las que ambas fuerzas se compensan en efecto, formando estructuras estables durante un tiempo. Este es el caso de las estrellas que observamos en el firmamento que, en primera aproximación, están bien descritas por nuestro experimento mental. Sin embargo, dicha competición no es del todo equitativa. Si aumentamos la densidad inicial de nuestra bola de materia, aumentará la intensidad de la interacción gravitatoria, mientras que la del resto de fuerzas permanece prácticamente igual. Esto implica que, para densidades suficientemente altas, no existe fuerza repulsiva conocida capaz de oponerse a la gravedad y la bola de materia colapsará indefinidamente. A partir de ahora nos ocuparemos de una bola de materia con densidad inicial suficientemente alta como para que esto ocurra. Todo apunta a que el destino de nuestra bola de materia es entonces contraerse, aumentando su densidad y disminuyendo su radio hasta ocupar nada más que un punto. Denominaremos historia 1 a esta evolución, representada en el primer esquema de la figura 1.

Sin embargo el proceso que tiene lugar en la naturaleza ha de ser más complicado, tal y como nos indica nuestra mejor descripción de la interacción gravitatoria hasta la fecha: la teoría de la relatividad general. Recordemos que nuestra situación inicial en el experimento mental consistía en dos elementos: una bola de materia y el espacio a su alrededor, vacío. Tras usar este adjetivo hemos dejado de preocuparnos del espacio para ocuparnos únicamente de la evolución de la bola de materia. Pero en relatividad general el espacio, incluso vacío, no es un mero espectador y posee propiedades dinámicas. Este hecho es lo que hace la relatividad general una teoría complicada tanto matemática como conceptualmente. Para nuestros propósitos no es importante entrar en detalles, y solo nos es necesario saber que estas complicaciones se traducen en el caso que nos ocupa en la aparición de un ente con un nombre digno de película de ciencia ficción: un horizonte de sucesos.

Parece por tanto que debemos descartar la imagen instintiva de la evolución de nuestra bola de materia resumida en la historia 1, reemplazándola por la historia 2, que incluye la aparición de un horizonte de sucesos en algún momento durante el colapso gravitatorio cuando la densidad de la bola de materia alcanza cierto valor. ¿Qué cambios implica este hecho? Un horizonte de sucesos es una superficie cerrada de cuyo interior no puede escapar ninguna partícula, ni siquiera la luz. Es interesante tener en cuenta que en nuestro universo podemos distinguir dos tipos de objetos desde el punto de vista astrofísico: aquellos que poseen luz propia, como las estrellas, y aquellos que podemos vislumbrar solo gracias a que reflejan la luz proveniente de los primeros. La región del espacio delimitada por el horizonte de sucesos se denomina agujero negro y es por tanto, a efectos luminosos, invisible. Por esta razón, lo que ocurra a partir del momento de la formación del horizonte de sucesos se encuentra oculto para los observadores en el exterior. Ignoramos pues el destino de la bola de materia que se encuentra en su interior.

De comportarse así la naturaleza, podríamos haber llegado al final de nuestras pretensiones de conocer el destino de la bola de materia. Sin embargo, de nuevo esta imagen no contiene todos los detalles que esperamos encontrar en un proceso real. La razón es que hasta ahora hemos ignorando las leyes de la física que rigen nuestro universo a escalas microscópicas, la física cuántica. Cuando investigamos el comportamiento de pequeñas zonas cercanas al horizonte de sucesos, las leyes de la física cuántica nos dicen que una pequeña cantidad de energía debe escapar del agujero negro en forma de radiación, que recibe el nombre de su descubridor, Stephen Hawking: los agujeros negros resultan ser más bien grises. La energía de esta radiación es tan pequeña que resulta prácticamente imposible detectarla en experimentos astrofísicos. Sin embargo, sí que podría existir la posibilidad de detectar los efectos secundarios de esta radiación, en particular los que produce en el propio agujero negro. Al emitir radiación, el agujero negro debe perder energía gradualmente, evaporándose y reduciendo su tamaño. Este proceso continuará en principio indefinidamente hasta la desaparición del agujero negro.

Podríamos resumir entonces el proceso de colapso gravitatorio de la forma siguiente: la bola de materia se contraerá y aparecerá un horizonte de sucesos, formándose un agujero negro del cual ignoramos su estructura interna. El agujero negro se evaporará mediante la emisión de radiación de Hawking hasta desaparecer por completo. Este proceso constituye la historia 3. Al igual que el estado inicial estaba constituido por una bola de materia en un universo por lo demás vacío, el estado final del proceso resulta ser un universo poblado por radiación únicamente. Podríamos decir por tanto que el proceso de colapso gravitacional descrito en dicha historia es un conversor eficiente de materia a radiación. Esta imagen es completa desde el punto de vista de la física conocida y por tanto candidata a describir los procesos de colapso gravitatorio de cuerpos masivos en la naturaleza. Sin embargo, un análisis detallado demuestra la aparición de dos problemas que pueden obstaculizar esta aspiración.

El primero de ellos, ampliamente conocido y discutido, es el denominado problema de la pérdida de información. Supongamos que modificamos levemente el estado inicial de nuestro experimento mental para introducir en el universo, además de nuestra bola de materia, una serie de hojas encuadernadas: mi (todavía por escribir) tesis doctoral. Dicho documento contendría la información del trabajo realizado durante mis cuatro años de formación doctoral. En el proceso de colapso gravitatorio dicho documento terminaría siendo engullido por el agujero negro. Tal y como hemos mencionado, tras la evaporación total del agujero negro, en el universo solo quedaría cierta cantidad de radiación. ¿Qué ha sido de la información contenida en el documento original? La visión estándar es que las propiedades de la radiación resultante tras la fase de evaporación hacen imposible que esta pueda contener tal cantidad de información. Parece entonces que la evolución descrita en la historia 3 destruye información, siendo el primer ejemplo de tal fenómeno en la historia de la física.

El segundo de los problemas es prácticamente ignorado en la literatura científica actual, con algunas excepciones. Un cálculo detallado demuestra que el tiempo asociado al fenómeno de evaporación total del agujero negro debería ser extremadamente grande, incluso en comparación con el tiempo de vida de nuestro universo. De hecho, este tiempo es extremadamente grande en comparación con todas las escalas de tiempo conocidas en la naturaleza. La razón es que la cantidad de radiación emitida es tan pequeña (recordemos que es un efecto últimamente debido a la física de lo muy pequeño) que necesitaríamos esperar tiempos ridículamente grandes para que agujeros negros del tamaño que se espera pueblen el universo se evaporen. Pese al atractivo conceptual de la historia 3 sería pues imposible en la práctica corroborar experimentalmente un comportamiento de este tipo. En otras palabras, la pequeña intensidad de la radiación emitida y el largo tiempo de evaporación hacen que la historia 3 se reduzca a la historia 2 desde un punto de vista experimental.

Hemos llegado por tanto a una situación incierta. Por una parte, tenemos un modelo de evolución satisfactorio desde el punto de vista de la física conocida. Por otro lado, esta imagen presenta problemas que hacen cuestionarse tanto su propia consistencia como su relevancia para la física observacional. Esta encrucijada podría ser por tanto una oportunidad para ampliar nuestros conocimientos sobre la naturaleza, ya que cualquier desviación respecto de la historia 3 tendría que estar directamente relacionada con modificaciones de la física conocida. Para ser completamente satisfactorias estas modificaciones deberían resolver los dos problemas arriba mencionados. En particular, una solución al segundo problema implicaría la aparición de nuevos fenómenos en escalas de tiempo mucho más pequeñas, pudiendo dar lugar a fenómenos astrofísicos susceptibles de ser detectados en experimentos futuros. Es plausible que este sea el caso de la propuesta lanzada recientemente por las personas mencionadas al principio de esta entrada.

Para entender la propuesta debemos mencionar primero la existencia de los objetos matemáticos conocidos como agujeros blancos. Un agujero blanco es el inverso temporal de un agujero negro o, en términos coloquiales, el resultado de ver la película de colapso gravitatorio hacia atrás en el tiempo. Mientras que en un agujero negro el horizonte de sucesos impide la salida de partículas, en un agujero blanco es la entrada la que no está permitida. Gran parte de la comunidad científica actual piensa que estos objetos constituyen meros artificios matemáticos, sin cabida en nuestro universo, al contrario que los agujeros negros que han logrado conseguir un lugar en el bestiario astrofísico moderno.

La historia 4 que queremos considerar constituye una combinación de las historias de ambos objetos, agujeros negros y blancos, en un mismo proceso que motiva el título de esta entrada. Se diferencia del resto de historias en el hecho de contener hipótesis sobre la física no comprobadas todavía. El comienzo de la historia 4 será similar a la historia 3 de un agujero negro mientras que el final se asemejará a su inverso temporal asociado con un agujero blanco; la zona intermedia será la adecuada para combinar ambas evoluciones. La primera modificación respecto de la historia 3 aparece en un corto tiempo tras la aparición del horizonte de sucesos del agujero negro. El horizonte de sucesos se disuelve dejando entrever la bola de materia en su interior que, además, sufre un proceso de rebote invirtiendo su colapso para comenzar un proceso de expansión. En la expansión la historia pasa a ser la historia de un agujero blanco: aparecerá una superficie cerrada que no permite la entrada de partículas y de la cual emergerá la bola de materia. Todo este proceso ocurre en un tiempo extremadamente corto en comparación con el proceso de evaporación de un agujero negro. Resulta que para justificar esta historia solo es necesaria una única hipótesis concerniente a las leyes físicas: que la interacción gravitatoria no es un fenómeno fundamental y que a altas energías se debilita hasta el punto de desaparecer completamente. Este comportamiento es suficiente para permitir que el rebote de la bola de materia y la disolución del horizonte de sucesos tengan lugar. La naturaleza de esta disolución es completamente independiente del proceso de evaporación mediante emisión de radiación de Hawking del cual hemos hablado anteriormente. Tras el proceso de rebote es de esperar que se emita violentamente cierta cantidad de la materia inicial y que se produzcan nuevas fases de contracción seguidas de expansión, hasta alcanzar un equilibrio del cual todavía se conocen pocas propiedades.

Es interesante notar que la hipótesis de que la gravedad no es una interacción fundamental constituye el pilar de una de las aproximaciones actuales para encontrar una teoría de gravedad que sea válida en los primeros instantes del universo, lo cual constituye un problema más profundo. Además, existen argumentos que señalan la desaparición de la gravedad a altas energías como una característica ciertamente plausible de una teoría de este tipo. No faltan pues motivaciones que justifiquen el estudio de las posibles repercusiones astrofísicas de esta atrevida historia sobre el proceso de colapso gravitatorio; estudio que se está llevando a cabo actualmente y que ofrece una excitante posibilidad de extraer profundas conclusiones sobre el comportamiento de la naturaleza.

Para profundizar, os dejo un link: http://arxiv.org/abs/arXiv:1407.1391