Ciencia

Los agujeros negros giratorios pueden crear grietas cortas en el espacio-tiempo

Agujero negro: el modelo APS muestra la formación de ‘cuerdas de vórtice’

Tomando prestada la letra de Leonard Cohen, “hay una grieta en todo, así es como entra la luz”. Lo primero, creen los físicos, bien puede ser cierto para el Universo, que se cree que se fracturó cuando se enfrió por primera vez tras el Big Bang. Ahora, dos estudios realizados por el Dr. William East del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá, han demostrado que se pueden producir grietas similares, aunque localizadas, en las proximidades de los agujeros negros giratorios. Estas grietas podrían detectarse a través de sus efectos gravitacionales y magnéticos, y podrían proporcionar una forma indirecta de conocer la naturaleza de la misteriosa «materia oscura» cuya existencia solo podemos inferir de su impacto en el universo visible.

Según los físicos, el Universo se creó en el Big Bang hace la friolera de 13.800 millones de años. En la primera fracción infinitesimal de la vida del Universo, el cosmos era esencialmente un pequeño punto caliente compuesto enteramente de energía.

En este momento, también se cree que todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza se unificaron en una «superfuerza» que lo abarca todo, un estado denominado «simetría».

Sin embargo, a medida que el universo se enfrió rápidamente, en una trillonésima de segundo después del Big Bang, la gravedad, la fuerza nuclear fuerte, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil se volvieron distintas.

Al final de este proceso, la primera materia comenzó a aparecer en forma de quarks (los componentes básicos de los protones, los neutrones y los leptones (como los electrones).

Los hallazgos sugieren que los agujeros negros pueden producir ‘cuerdas’: grietas en el tejido del espacio-tiempo (Imagen: William East / American Physical Society)

Sin embargo, el cosmos que se enfriaba rápidamente no se enfrió de manera uniforme y, en 1976, el físico británico Sir Thomas Kibble argumentó que, al igual que se forman las grietas cuando el agua se convierte en hielo, se habrían formado fallas en la estructura del espacio-tiempo entre partes del universo en diferentes temperaturas

Unidimensionales, hechas de masa/energía altamente concentrada y potencialmente capaces de abarcar la amplitud del universo, estas grietas se denominan «cuerdas cósmicas».

Los físicos creen que un trozo de cuerda cósmica de solo una milla de largo contendría más masa que toda la Tierra, y su presencia se ha propuesto como una explicación de la distribución irregular de la materia en todo el Universo.

De hecho, en 2010, un estudio de físicos de la Universidad Estatal de Nueva York encontró que los ejes de los agujeros negros supermasivos en el centro de 200 de las galaxias más antiguas conocidas estaban alineados a lo largo de un arco que creen que traza el campo magnético de dos cuerdas cósmicas primordiales.

La historia del cosmos

Según los físicos, el Universo se creó en el Big Bang hace la friolera de 13.800 millones de años (Imagen: NASA / WMAP Science Team)

Los agujeros negros, regiones del espacio-tiempo tan deformadas por la masa concentrada que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su gravedad, también están en el centro del trabajo del Dr. East.

Los físicos teóricos han argumentado que los agujeros negros giratorios de ciertas masas atraerían un tipo de partícula hipotética conocida como bosón ultraligero (llamado así porque tendrían menos de una milmillonésima parte de la masa de un electrón).

Las partículas formarían una nube alrededor del agujero negro, algo así como una bola de algodón de azúcar girando alrededor de un palo, lo que ralentizaría la rotación del agujero negro en el proceso de una manera que los físicos esperan poder detectar.

Los bosones ultraligeros han sido propuestos como una de las identidades potenciales de la llamada “materia oscura”, el misterioso material cuya presencia podemos inferir por el impacto que tiene en los movimientos de las estrellas y las galaxias, pero que por lo demás es invisible porque no absorber, reflejar o emitir luz o cualquier otra forma de radiación electromagnética.

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Una infografía sobre los agujeros negros.

Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo tan deformadas por la masa que nada puede escapar de su gravedad (Imagen: Express.co.uk)

Estudios anteriores han sugerido que estas nubes de bosones podrían acumularse hasta el punto de explotar en un estallido masivo de ondas gravitacionales, dando a los físicos otra ruta para buscar evidencia de que estas partículas hipotéticas realmente existen.

La razón de esta explosión es que los agujeros negros giratorios arrastran el espacio-tiempo que los rodea, tanto como, para tomar prestada una frase del astrofísico de la Universidad Estatal de Nueva York, Paul Sutter, girar una mesa de café pesada sobre una alfombra despeinaría este último.

Esta rotación del espacio-tiempo transfiere energía a cualquier material que rodee el agujero, incluidos los bosones ultraligeros, en un proceso conocido como «superrradiación».

Si esta energía se refleja de nuevo en el agujero negro, se puede desarrollar un proceso explosivo fuera de control que conduce a lo que se ha denominado una «bomba de agujero negro», que libera ondas gravitacionales antes de que el proceso comience de nuevo.

Como explica el Dr. East: “En ausencia de otras interacciones, la saturación de la inestabilidad suprarradiante se produce a través de una reacción inversa gravitacional.

“A medida que crece la nube de bosones, el agujero negro gira hacia abajo, y cuando la frecuencia de rotación del agujero negro se acerca a la de la nube bosónica, la inestabilidad se apaga y la nube comienza a disiparse a través de la radiación gravitacional”.

Cuerdas de vórtice que se forman alrededor de un agujero negro

Los cálculos del Dr. East sugieren que las nubes de bosones ultraligeros pueden crear ‘cuerdas de vórtice’ (Imagen: William East / American Physical Society)

Lo que el Dr. East consideró, sin embargo, es el potencial de que la nube de bosones experimente otras interacciones, lo que lleva a una forma diferente de explosión.

Él dijo: «Como un ejemplo representativo de esto, utilicé evoluciones no lineales para estudiar la superradiancia de un agujero negro de un bosón vectorial que alcanza una masa, a través de un acoplamiento a un escalar complejo, a través del mecanismo de Higgs».

El mecanismo de Higgs es lo que se cree que da masa a las partículas, y está mediado por el bosón de Higgs (a veces denominado con ligereza «la partícula de Dios»), cuya evidencia fue detectada por primera vez por el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN en 2012.

Los cálculos del Dr. East sugieren que las nubes de bosones ultraligeros alrededor de un agujero negro giratorio explotarían en un estallido de energía, no de gravedad, y que el proceso también crearía «cuerdas de vórtice», versiones más cortas de las cuerdas cósmicas formadas en el universo primitivo.

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Modelado de cruces de cuerdas de vórtice

En la imagen: si se cruzan, las cuerdas de vórtice podrían ser expulsadas de la nube de bosones ultraligeros (Imagen: East & Huang / arXiv)

El físico explicó: “Para los casos considerados, encontramos que la inestabilidad superradiante puede conducir a un período transitorio donde el campo escalar alcanza su valor de restauración de simetría”.

Esto, agrega, conduce “a la formación de cadenas de vórtices cerrados, la interrupción temporal del crecimiento exponencial de la nube y un estallido explosivo de energía.

“Después de que la nube pierde suficiente masa, se reanuda el crecimiento superradiante y el ciclo se repite.

«Por lo tanto, el agujero negro girará hacia abajo, pero potencialmente a un ritmo mucho más bajo en comparación con cuando los efectos no lineales no son importantes, y la energía liberada se convertirá principalmente en radiación bosónica en lugar de ondas gravitacionales».

Según el Dr. East, las cuerdas de vórtice formadas a partir de la inestabilidad superradiante se manifestarían primero como un par orientado longitudinalmente alrededor del agujero negro, con una siendo impulsada hacia el agujero negro mientras que la otra gira hacia afuera.

Sin embargo, esta segunda cuerda continuaría encogiéndose, dice, «ya que una combinación de la tensión de la cuerda y la gravedad hacen que se colapse de nuevo en el horizonte del agujero negro».

Sin embargo, continúa, es posible que si se generara una red más grande de cuerdas, sus interacciones y reconexiones podrían conducir en última instancia a un bucle cerrado de cuerdas expulsado de la vecindad del agujero negro, creando una «grieta» duradera en el cosmos que podríamos ser capaces de detectar a través de sus efectos gravitacionales y magnéticos.

Los hallazgos completos del primer estudio se publicaron en la revista Physical Review Letters, mientras que el segundo, que aún no ha sido revisado por pares, se puede leer en el repositorio arXiv.

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