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Raúl Carballo

Raúl Carballo Rubio es un joven investigador con su formación, al igual que su corazón, repartida entre tres ciudades del panorama español. Comenzó los estudios universitarios en su ciudad natal, Sevilla, en 2006, y posteriormente realizó el segundo ciclo de la Licenciatura en Ciencias Físicas en la Universidad Complutense de Madrid. En 2011 se traslada a Granada para comenzar su formación doctoral en el Instituto de Astrofísica de Andalucía bajo la supervisión de los Dres. Carlos Barceló y Luis J. Garay. En un año planea defender su tesis doctoral en la Universidad de Granada, en la que se abordan temas relacionados con la construcción de una teoría en la que la interacción gravitatoria se manifieste como un fenómeno emergente así como el problema del colapso gravitatorio en tal marco. El lector interesado puede consultar los resultados actualizados de dicha investigación, así como otros contenidos no necesariamente relacionados con la ciencia, en su web personal (http://rcarballo.es).

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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.

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