En nuestro estudio publicado el 21 de octubre de 2024 en la revista Physical Review Letters, predecimos la existencia de un nuevo tipo de agujeros negros rodeados de anillos de forma similar a los de Saturno, pero formados por partículas elementales.
La teoría de la relatividad general de Einstein predijo la existencia de agujeros negros: regiones del espacio-tiempo donde la gravedad es tan intensa que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Su existencia hipotética se formuló en 1916, cuando se obtuvieron soluciones a las ecuaciones matemáticas de la relatividad general que describen los agujeros negros.
Sin embargo, su existencia real fue debatida posteriormente por los científicos durante casi un siglo. En 1965, el trabajo teórico del matemático británico Roger Penrose demostró que los agujeros negros se forman inevitablemente por el colapso gravitacional de las estrellas y no fue hasta la década de 1990 que las observaciones astronómicas, realizadas por dos astrofísicos estadounidenses Reinhard Genzel y Andrea Ghez, revelaron lo que Parece ser un gigantesco agujero negro en el centro de nuestra galaxia. Este descubrimiento les valdrá, al igual que a Roger Penrose, el Premio Nobel de Física en 2020.
Hoy, gracias a las observaciones de la colaboración internacional Event Horizon Telescope, podemos discernir la sombra del agujero negro situado en el centro de la Vía Láctea.
Por tanto, se ha demostrado firmemente la existencia de agujeros negros en el Universo, pero los descubrimientos no terminan ahí. Hoy predecimos la existencia de agujeros negros de un nuevo tipo, sugerido por el Modelo Estándar de fuerzas fundamentales.
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El origen de los agujeros negros en el universo.
Actualmente se acepta comúnmente que los agujeros negros son omnipresentes en nuestro Universo. Generalmente distinguimos dos escenarios que explican su formación.
En primer lugar están los agujeros negros estelares, formados por el colapso gravitacional de estrellas ordinarias al final de su vida, es decir cuando acaban colapsando por su propio peso tras haber consumido todo su combustible. Su masa suele variar desde 2 o 3 masas solares hasta decenas (o incluso cientos) de masas solares. Después de su formación, estos agujeros negros estelares pueden crecer absorbiendo la materia circundante. También pueden fusionarse entre sí, con una importante emisión de ondas gravitacionales, cuya primera detección fue reconocida por el Premio Nobel de Física en 2017.
También es posible que ciertos agujeros negros, llamados primordiales, se formaran por el colapso de la materia primaria durante el primer segundo después del Big Bang. La masa de estos agujeros negros primordiales puede ser gigantesca, hasta miles de millones de masas solares para los agujeros negros supermasivos situados en los centros de la mayoría de las galaxias. ¡Pero también puede ser pequeño, del orden de los planetas o los asteroides, concentrado en un radio inferior a un centímetro! Por tanto, es posible que el Universo esté salpicado de estos diminutos agujeros negros primordiales, cuya futura detección constituye un gran desafío para la astrofísica observacional. Incluso los agujeros negros primordiales más ligeros habrían tenido que evaporarse muy rápidamente según el proceso de Hawking y no habrían sobrevivido hasta el día de hoy.
Nuestros resultados sugieren que algunos de los pequeños agujeros negros primordiales que todavía existen hoy en día pueden tener una nueva propiedad: ser “peludos”.
Los agujeros negros “no tienen pelo”
Los agujeros negros estelares no guardan ningún recuerdo de la estrella que colapsó para dar lugar a su formación, excepto el de su masa, su carga eléctrica (o magnética) y su velocidad de rotación. Todas las demás características de su estado inicial (por ejemplo, la composición química de la estrella) se pierden por completo durante el colapso, y todos los agujeros negros de la misma masa, la misma carga y la misma velocidad de rotación son absolutamente idénticos.
El físico estadounidense John Wheeler ilustró esta propiedad con una frase que se hizo famosa: “ Los agujeros negros no tienen pelo. ”, donde por “ cabello » nos referimos a cualquier parámetro distinto de la masa, la carga y la velocidad de rotación.
Esta propiedad de los agujeros negros estelares está confirmada por teoremas de unicidad, mientras que, para los agujeros negros primordiales, se ha postulado como una conjetura, parcialmente confirmada por una serie de “teoremas de calvicie”.
Y sin embargo… los inicios de los agujeros negros peludos
Entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, hay dos, la gravitación y el electromagnetismo, que actúan a escala macroscópica y explican la estructura de los agujeros negros estelares que son “calvos”. Las otras dos fuerzas, llamadas débil y fuerte, sólo actúan a escala microscópica, en el interior de los átomos. ¿Pueden estas dos últimas fuerzas fundamentales influir en la estructura de los agujeros negros?
Las teorías físicas que describen estas fuerzas son bastante complicadas de estudiar y es por esta razón que los físicos se centraron primero en modelos teóricos simplificados. Gracias a estos modelos simplificados se descubrieron los llamados agujeros negros. peludoes decir, rodeados por una capa de material intrínsecamente ligado a ellos y, por tanto, caracterizados por parámetros adicionales (distintos de la masa, la carga, la velocidad de rotación) que permiten distinguirlos entre sí.
Desde su primer descubrimiento en 1989, los físicos teóricos han encontrado numerosos ejemplos de agujeros negros peludos, pero siempre en el marco de teorías simplificadas o, por el contrario, extremadamente especulativas. Estos tres negros existen en el papel como soluciones a ecuaciones matemáticas, pero no hay nada que confirme que realmente existan en nuestro Universo.
Agujeros negros con “pelo electrodébil”
En nuestro estudio, consideramos la unificación de tres teorías exactas, no simplificadas y confirmadas experimentalmente, que reúnen tres de las cuatro fuerzas fundamentales: la gravitación, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil (las dos últimas juntas forman la fuerza electrodébil).
Las soluciones que obtuvimos al resolver las ecuaciones de estas teorías combinadas describen agujeros negros cargados magnéticamente rodeados por un anillo en forma de “pelo”.
Estos anillos están compuestos de partículas elementales (más precisamente, bosones W, Z y Higgs), en forma de condensado de Bose-Einstein, un estado particular de la materia que aparece en determinadas situaciones. En el laboratorio se observaron átomos fríos atrapados mediante láseres (lo que valió a sus descubridores el Premio Nobel en 2001). En nuestro caso, es el intenso campo magnético del agujero negro cargado el que produce el condensado electrodébil, y como este último también está cargado magnéticamente, es repelido del agujero negro por la fuerza magnética y por tanto no cae dentro. Sin embargo, tampoco es expulsado más, porque la fuerza gravitacional lo atrae hacia el agujero negro. Por tanto, queda atrapado fuera del agujero negro.
Nuestros agujeros negros anulares, un nuevo tipo, pueden tener un tamaño macroscópico, en torno a un centímetro, mientras que las partículas elementales que forman sus anillos normalmente aparecen en la escala de lo infinitamente pequeño.
Dado que estos agujeros negros están descritos mediante teorías confirmadas experimentalmente, esto sugiere fuertemente que existen no sólo como soluciones matemáticas, sino también como objetos reales en el Universo.
¿Podríamos detectar estos agujeros negros?
Está claro que estos agujeros negros peludos no podrían formarse hoy. Por otra parte, las condiciones favorables para su formación podrían haberse encontrado en los primeros momentos del Universo, en el plasma primordial extremadamente denso y fluctuante. Serían, por tanto, agujeros negros primordiales.
Es importante señalar que estos agujeros negros son estables, porque la presencia de los anillos reduce la masa del agujero negro, por lo que deshacerse de ellos sería energéticamente desfavorable. Por lo tanto, podrían sobrevivir hasta hoy y pasar a formar parte de la materia oscura, esa sustancia cuya naturaleza exacta sigue siendo desconocida hasta el día de hoy y que sólo puede detectarse por su influencia gravitacional. Estos agujeros negros peludos podrían detectarse por su interacción con estrellas de neutrones en rotación (púlsares), porque si son absorbidos por una de ellas (lo que puede suceder porque son mucho más pequeños y livianos), entonces la estrella continúa existiendo con el agujero negro. en el interior pero éste debe cambiar bruscamente su período de rotación, lo que podría ser detectable.
Romain Gervalle, investigador asociado en teorías de la gravitación, Universidad de Tours y Mikhail Volkov, profesor de física, Universidad de Tours
Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.
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