¿Los agujeros negros realmente necesitan singularidades para existir?

Cuando se habla de agujeros negros, se suele mencionar el horizonte de eventos y la singularidad. Estos elementos son considerados definitorios de un agujero negro, pero la realidad es más compleja. Algunos científicos argumentan que un agujero negro no necesariamente necesita una singularidad, lo que podría implicar que ni siquiera tiene un horizonte de eventos.

Para entender esta cuestión, es importante distinguir entre los dos tipos de agujeros negros. Por un lado, están los agujeros negros teóricos descritos en la relatividad general. Estos son soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein conocidas como métricas. La primera métrica de agujero negro fue descubierta por Karl Schwarzschild, que describe un agujero negro simple y no rotatorio. A lo largo de los años, se han encontrado otras métricas, como la métrica de Kerr, que describe un agujero negro rotatorio no cargado, utilizada en muchas representaciones cinematográficas, como en "Interstellar".

Por otro lado, existen los agujeros negros que hemos observado directamente, como M87* y el agujero negro en el centro de nuestra galaxia, SagA*. El Telescope de Horizonte de Eventos ha recopilado una gran cantidad de datos sobre estos agujeros negros, y sabemos que rotan y tienen una estructura cercana al horizonte que, hasta donde hemos podido observar, coincide perfectamente con el modelo de Kerr.

Sin embargo, no podemos ver el interior de un agujero negro, por lo que no sabemos con certeza si tiene una singularidad. Igualmente, no podemos observar el horizonte de eventos, ya que cualquier luz que cruce este límite queda atrapada para siempre. Aunque no hay evidencia que sugiera que los agujeros negros no tengan singularidades o horizontes de eventos, también existen modelos alternativos que podrían ser teóricamente viables y que concuerdan con las observaciones actuales.

La importancia de esta discusión radica en que, aunque las singularidades y los horizontes de eventos aparecen naturalmente en las métricas de agujeros negros, también generan numerosos problemas. Una singularidad es un punto matemático de densidad infinita y volumen cero, donde las leyes de la física dejan de funcionar. Este problema es tan significativo que los físicos han invocado la hipótesis de la censura cósmica, que sostiene que las singularidades siempre están cubiertas por un horizonte de eventos, de modo que no tenemos que preocuparnos por ellas.

Sin embargo, los horizontes de eventos también presentan sus propios problemas. Dado que cualquier objeto que cruce un horizonte de eventos nunca puede escapar del agujero negro, la información contenida en ese objeto se pierde para siempre en el universo, creando una paradoja de la información. Este ciclo parece no tener fin.

Una forma de resolver todos estos problemas es encontrar un modelo de agujero negro que no tenga singularidad ni horizonte de eventos. Después de todo, la relatividad general es una teoría clásica, al igual que la dinámica newtoniana. El universo real es de naturaleza cuántica, por lo que deberíamos tener una teoría cuántica de la gravedad.

Existen indicios de que la física cuántica podría resolver estos problemas. El principio de incertidumbre de Heisenberg establece que no se puede tener una masa exacta en un punto exacto, por lo que la teoría cuántica probablemente impide la formación de singularidades. Además, la radiación de Hawking podría permitir que la energía y la información escapen de un agujero negro con el tiempo.

La mayoría de las exploraciones teóricas de estas ideas se centran en el lado cuántico. Por ejemplo, en la gravedad cuántica en bucles, la espuma cuántica del espacio-tiempo podría significar que los agujeros negros forman una "estrella de Planck" dentro del horizonte de eventos en lugar de una singularidad. Un modelo similar conocido como fuzzball aparece en la teoría de cuerdas, donde la singularidad es reemplazada por una esfera de cuerdas degeneradas. También existen teorías clásicas alternativas a la relatividad general que pueden eliminar los problemas de la relatividad.

A pesar de que no hay evidencia observacional para la gravedad cuántica, la relatividad alternativa o la teoría de cuerdas, ¿por qué no seguir con el buen viejo profesor Einstein? ¿Qué pasaría si asumimos que la relatividad general es verdadera pero añadimos la restricción de que las singularidades están prohibidas? ¿Es posible una métrica de agujero negro así? Sí, y se conoce como la métrica de Hayward.

La métrica de Hayward es la solución mínima a las ecuaciones de campo de Einstein con las siguientes restricciones: estática, asintóticamente plana, esféricamente simétrica y no singular. En contraste, el modelo de Schwarzschild para un agujero negro es la solución mínima que satisface las tres primeras restricciones. Por lo tanto, un agujero negro de Hayward es básicamente un agujero negro de Schwarzschild no rotatorio sin singularidad. Pero esa única diferencia conlleva varios cambios.

El cambio más obvio es que un agujero negro de Hayward no tiene una singularidad. En lugar de que el espacio se deforme hacia un punto que desaparece, el centro del agujero negro es localmente plano, al igual que cualquier región del espacio profundo. Un cambio más sutil es que los agujeros negros de Hayward no tienen un horizonte de eventos. En su lugar, el modelo tiene un horizonte aparente que contiene materia durante un tiempo prolongado. Con el tiempo, la materia y la energía pueden escapar gradualmente. Es similar al efecto de la radiación de Hawking, pero sin invocar la física cuántica.

Para los agujeros negros supermasivos, este efecto es tan pequeño que un agujero negro de Hayward sería casi indistinguible de un agujero negro de Schwarzschild. Y ese es el punto clave. Aunque todas nuestras observaciones de agujeros negros coinciden con los modelos estándar, los agujeros negros de Hayward también concuerdan con los datos.

Por supuesto, el gran inconveniente es que no conocemos ningún mecanismo físico que impida la formación de singularidades. El modelo de Hayward simplemente las prohíbe por decreto. Pero si el modelo de Hayward es correcto, entonces todos esos problemas complicados con las singularidades y los horizontes de eventos podrían ser... irrelevantes.

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