¿Hemos detectado ya agujeros blancos y no los hemos reconocido?
Según el físico Carlo Rovelli, la materia oscura podría estar hecha de esos fenómenos cósmicos (hasta ahora teóricos) que expulsan materia.
Recreación de un agujero blanco
A principios de la pasada década de los setenta, casi nadie creía en la existencia de los agujeros negros. Ni siquiera las numerosas detecciones indirectas (materia cayendo dentro de ellos) lograba convencer a los científicos de su existencia. Físicos de la talla de Steven Weinberg se negaban en rotundo a admitir que esas “aberraciones teóricas” pudieran ser reales, incluso después del descubrimiento, en 1964, de Cisne X1, objeto de encendidas polémicas y también de la famosa apuesta entre Stephen Hawking, que a pesar de sus creencias optó por sostener que no se trataba de un agujero negro, y su colega Kip Thorne, que apostó lo contrario. Tuvieron que pasar varias décadas hasta que se pudo probar con total certeza que, efectivamente, en el sistema binario Cisne X1 había un agujero negro, que se convirtió así en el primero descubierto por el hombre. Hoy en día, existen numerosas evidencias de que el Universo está repleto de ellos.
Y ahora, según explica en un magistral artículo divulgativo en New Scientist el físico teórico Carlo Rovelli, de la Universidad francesa de Aix-Marseille, podría estar sucediendo lo mismo con unos objetos, si cabe, aún más extraños que los agujeros negros: los agujeros blancos. Algo que, en esencia, sería casi idéntico a sus “hermanos negros”, pero a la inversa.
Lo cierto es que en la actualidad, igual que sucedía en los setenta con los agujeros negros, nadie o casi nadie cree en la existencia de agujeros blancos, que se consideran poco más que un simple ejercicio matemático sin contrapartida alguna en el mundo real. A diferencia de los negros, los agujeros blancos no absorben materia, sino que la expulsan. De este modo, igual que nada de lo que entra en un agujero negro puede volver a salir, tampoco nada de lo que sale de un agujero blanco puede volver a entrar.
A pesar del rechazo general, sin embargo, algunos grupos de físicos, entre ellos el de Rovelli, han empezado a investigar una posibilidad de la Mecánica Cuántica que permite una vía para que los agujeros blancos se formen realmente y de que el cielo, por lo tanto, pueda estar repleto de ellos, a pesar de no haber detectado todavía ninguno.
“La razón para sospechar que existen agujeros blancos -escribe Rovelli en New Scientist– es que podrían resolver un misterio abierto: lo que sucede en el centro de un agujero negro. Vemos grandes cantidades de materia en espiral alrededor de los agujeros negros, y luego cayendo dentro. Toda esa materia atraviesa la superficie del agujero, el horizonte de sucesos o punto de no retorno, cae en picado hacia el centro y… luego? Nadie lo sabe”.
La singularidad
Según la teoría general de la Relatividad de Einstein, la mejor descripción que existe hasta ahora de la gravedad, la materia que entra en un agujero negro se concentra en un único punto central de densidad infinita, algo que los físicos han llamado “singularidad”. En ese punto, la realidad misma dejaría de ser lo que es, el tiempo se detendría y todo lo que existe se desvanecería en la nada. Sin embargo, y debido precisamente a esas condiciones tan extremas, la singularidad se sitúa fuera del ámbito de las teorías de Einstein, por lo que Rovelli considera que no son fiables. De hecho, en la singularidad la gravedad sería tan fuerte que estaría dominada por los efectos cuánticos. “Para entender lo que sucede -explica el científico- necesitamos una teoría cuántica de la gravedad“.
Para el investigador, los efectos cuánticos podrían evitar que se forme una densidad infinita en el centro del agujero negro. Y, al final, en lugar de concentrarse en una singularidad, “la materia podría hacer lo que comunmente hace después de una caída: rebotar“. Aunque no podría rebotar dentro del agujero negro, donde las cosas solo pueden caer y moverse hacia abajo.
“Pero aquí está la magia -escribe Rovelli-: la gravedad cuántica permite que rebote no solo la materia, sino toda la geometría espacio-tiempo del agujero negro, es decir, que continúe a través del punto central del agujero negro en una región separada y nueva del espacio-tiempo, donde no solo la materia, sino también todo el espacio-tiempo está rebotando. Esto es lo que llamamos un agujero blanco. Una pelota que rebota sigue una trayectoria que parece una película de su caída proyectada hacia atrás. Un agujero blanco es como una película de un agujero negro proyectado hacia atrás. Desde el exterior, no sería muy diferente: tiene una masa como un agujero negro, por lo que las cosas se atraen y pueden orbitar a su alrededor. Pero mientras que un agujero negro está rodeado por un horizonte a través del cual es posible entrar pero no salir, un agujero blanco está rodeado por un horizonte a través del cual es posible salir pero no entrar“.
Un agujero de gusano
Según el investigador, la posibilidad teórica de que tales objetos existan está prevista por la relatividad general, y para ellos existen “soluciones exactas de las ecuaciones de la teoría”. Soluciones que, sin embargo, siempre se han visto como puros artificios matemáticos sin conexión alguna con el mundo real. Precisamente, ironiza Rovelli, lo mismo que sucedía con los agujeron negros hace no tanto tiempo.
Algunas ideas alrededor de los agujeros blancos sugieren que estarían conectados a los agujeros negros a través de un túnel espaciotemporal, un agujero de gusano. De forma que la materia entraría por el agujero negro y saldría después, en otro lugar del Universo o incluso en otro Universo, a través de un agujero blanco.
Pero Rovelli opina que no se necesitan “especulaciones tan extravagantes”, y que el agujero blanco se encontraría exactamente en el mismo lugar en el que estaba el agujero negro, solo que en su futuro. En otras palabras, el “otro lado del centro” de un agujero negro puede estar, sencillamente, “en el futuro del agujero. Esto es difícil de visualizar, pero el resultado es simple: en la primera parte de su vida, el agujero es negro y la materia cae; pero durante la segunda, después de la transición cuántica, es blanco y la materia rebota”.
La transición: de negro a blanco
En este punto, es importante fijarse en el momento de transición en el que un agujero negro pasa a ser un agujero blanco. “Aquí, nuevamente, es la teoría cuántica la que permite que esto suceda, gracias a un fenómeno conocido como tunelización cuántica”. Hoy en día, el “efecto túnel” está bien estudiado e incluso se aplica a la construcción de microscopios y otros instrumentos científicos. “Una partícula atrapada dentro del núcleo atómico -explica Rovelli- no podría escapar según la mecánica clásica, pero la teoría cuántica le permite ‘hacer un túnel debajo’ de la pared potencial que la atrapa, y por lo tanto irradiar fuera del núcleo”.
Ahora bien, la vida de los agujeros negros puede ser extremadamente larga. ¿En qué momento un agujero negro pasa a ser un agujero blanco? Hace ya varias décadas, en 1974, Stephen Hawking aventuró la idea de que, después de todo, los agujeros negros no lo eran tanto, ya que emitían una cierta cantidad de radiación, hoy conocida como radiación Hawking en honor al genial físico británico. Es decir, que con el paso del tiempo y a través de esa emisión lenta pero continua de radiación, los agujeros negros van reduciendo su tamaño y finalmente se evaporan.
Y a medida que reducen su tamaño, según Rovelli, “aumenta la probabilidad de que se conviertan en agujeros blancos. Cosa que en algún momento, sucede”. Este escenario, sin embargo, contiene un aspecto desconcertante: la evaporación de un agujero negro es un proceso que se produce con extrema lentitud y que puede durar muchos millones de años, mientras que la materia que cae en el agujero negro llega a su centro en pocos segundos, por lo que su “rebote” debería ser casi inmediato. Por lo tanto, ¿cómo podría la materia salir tan pronto a través de un agujero blanco cuando ese mismo agujero blanco tarda tanto tiempo en formarse?
La flexibilidad del tiempo
La respuesta, para Rovelli, radica en “la increíble flexibilidad del tiempo”. Sabemos, por ejemplo, que el tiempo transcurre más lentamente al nivel del mar, más cerca del centro de la Tierra, que en lo alto de una montaña. Y a medida que nos acercáramos a un agujero negro, el tiempo se ralentizaría aún mucho más. Por lo tanto, “un tiempo muy corto dentro del agujero negro sería equivalente a un tiempo muy largo fuera de él. Si pudiéramos ver el “rebote” de la materia desde fuera, parecería estar sucediendo a cámara super lenta. Por lo tanto, escribe Rovelli “los agujeros que vemos en el cielo podrían ser sencillamente objetos que colapsan y rebotan hacia fuera”, pero percibidos por nosotros en una cámara exageradamente lenta.
Una ventaja añadida de tal escenario es que resuelve la famosa paradoja de la pérdida de información en el interior del agujero negro, algo que la naturaleza prohíbe. En efecto, si dentro de un agujero negro el tiempo llegara a su fin, la información de la materia que entrara en la singularidad se perdería para siempre. Pero si esa materia termina rebotando y saliendo de nuevo al exterior a través de un agujero blanco, la información no se perdería.
Un escenario teórico que, en su artículo, Rovelli califica de hermoso. Ahora bien, ¿significa esto que “el cielo está realmente lleno de agujeros blancos? Y si es así, ¿podemos verlos?
¿Dónde están los agujeros blancos?
El investigador opina que la respuesta “depende de cosas que aún no comprendemos totalmente”. Entre ellas, el tiempo que puede llegar a durar un agujero negro. Se cree que los agujeros negros que se han formado tras el colapso de una estrella son aún demasiado jóvenes y grandes como para convertirse en agujeros blancos. No así la miriada de agujeros negros microscópicos que podrían haberse formado durante el Big Bang, y que podrían haberse trasformado ya, o estar transformándose ahora, en pequeños agujeros blancos que estarían virtualmente por todas partes.
“Sin embargo -escribe Rovelli en New Scientist- tenemos un límite bastante firme entre una vida ¨larga¨, limitada por el tiempo de evaporación de Hawking, y una vida ¨corta¨ mínima requerida por el inicio de los fenómenos cuánticos. Lo cual nos permite sacar algunas conclusiones preliminares”.
“Si la vida útil resulta ser larga -razona el investigador-, entonces solo los pequeños agujeros negros primordiales se habrían vuelto blancos. Lo cual implicaría que todos los agujeros blancos que hay actualmente en el cielo deben tener un tamaño muy pequeño”. El peso de cada uno de estos agujeros blancos diminutos sería del órden de un microgramo, que es el peso de un fragmento de cabello humano de apenas 1,2 cm.
Lo cual, según el investigador, abre la interesante posibilidad de que esos diminutos agujeros blancos sean un componente fundamental de la misteriosa materia oscura que los astrónomos han detectado, aunque solo de forma indirecta, en el cielo. Las diversas teorías sobre la composición de la materia oscura no han podido demostrarse hasta ahora, y las partículas que deberían formarla según esas teorías se resisten a ser descubiertas en laboratorio.
Pero “la posibilidad de que la materia oscura esté compuesta de pequeños agujeros blancos no requiere nada más que la física establecida, es decir, la relatividad general y la teoría cuántica, y no está descartada por ninguna observación. Si esto es correcto, ya hemos observado agujeros blancos: ¡son la materia oscura!”.
Por otro lado, “si la vida útil de los agujeros negros resultara ser corta, los agujeros negros primordiales que ya se han transformado en blancos deberían tener ahora la masa de un pequeño planeta y podrían explotar violentamente, transformando la mayor parte de su masa en radiación emitida. Este evento debería enviarnos rayos cósmicos extremadamente energéticos y señales cortas y violentas en la banda de microondas o radio. Los últimos son particularmente intrigantes porque ya se han detectado señales similares: las misteriosas y rápidas explosiones de radio observadas recientemente por los radiotelescopios. Una vez más, podríamos haber visto ya agujeros blancos”.
Para Rovelli, “encontrar evidencia de agujeros blancos en el cielo sería un hermoso paso adelante en nuestra comprensión del Universo. Podrían representar la primera observación directa de la gravedad cuántica en acción, y así abrir una ventana al mayor problema de la física fundamental, el problema de comprender los aspectos cuánticos del espacio-tiempo”.
Universo rebotado
El artículo de Rovelli termina con “una última idea muy especulativa. Es posible que nuestro Universo no haya nacido en el Big Bang, sino que puede haber ¨rebotado¨de una fase de colapso anterior. Esta posibilidad está permitida por la gravedad cuántica y otros marcos teóricos. El mecanismo cuántico del rebote cósmico sería similar al rebote del agujero negro al blanco. Y los gujeros blancos microscópicos de hoy podrían haberse formado antes de ese rebote. Si fuera así, la geometría del espacio-tiempo en el rebote no habria sido homoigénea, tal y como sugiere la cosmología convencional, sino llena de ¨arrugas¨, ya que cada agujero blanco sería como un gran pico en la geometria espaciotemporal”.
Para el investigador, ese hecho “podría ser relevante” a la hora de resolver el misterio de la flecha del tiempo, que es la pregunta de por qué el tiempo avanza en una sola dirección. Y es que la flecha del tiempo podría no haber sido causada por un estado ¨especial¨ del Universo (es decir, con muy baja entropía) como se cree comunmente. En su lugar, podría ser una simple cuestión de perspectiva relacionada con la ¨especial¨ ubicación de los observadores: estamos fuera de todos los agujeros”.
“Los agujeros blancos -concluye Rovelli- son una posibilidad plausible, aunque casi inexplorada. Aún tenemos que identificar uno, pero también tardamos mucho tiempo en reconocer los agujeros negros”.
