Los investigadores han demostrado cómo las singularidades – que normalmente sólo se encuentran en el centro de los agujeros negros y ocultos de la vista – podrían existir en un espacio tridimensional altamente curvo.
Concepto de artista de un agujero negro supermasivo. Crédito: NASA/JPL-Caltech
Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, han utilizado simulaciones computacionales para predecir la existencia de una llamada singularidad desnuda, que interfiere con la teoría general de la relatividad de Einstein. Esta es la primera vez que una singularidad desnuda, que hace que las leyes de la física se rompan, se ha pronosticado en el espacio tridimensional. Los hallazgos se reportan en la revista Physical Review Letters.
La teoría general de la relatividad de Einstein sustenta nuestra comprensión actual de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, hasta las señales GPS en las que confiamos para ayudarnos a navegar, se basa en sus ecuaciones. En parte, la teoría nos dice que la materia distorsiona su espacio-tiempo circundante, y lo que llamamos gravedad es el efecto de esa urdimbre. En los 100 años desde que se publicó, la relatividad general ha pasado todas las pruebas que se le han lanzado, pero una de sus limitaciones es la existencia de singularidades.
Una singularidad es un punto donde la gravedad es tan intensa que el espacio, el tiempo y las leyes de la física se descomponen. La relatividad general predice que existen singularidades en el centro de los agujeros negros, y que están rodeadas por un horizonte de eventos – el ' punto de no retorno ', donde el tirón gravitacional se vuelve tan fuerte que el escape es imposible, lo que significa que no pueden ser observados desde el exterior.
Por más de 40 años, los matemáticos han propuesto que cada vez que se formen singularidades, siempre estarán ocultas de la vista de esta manera – esto se conoce como la "conjetura de la censura cósmica". Si es verdad, la censura cósmica significa que fuera de los agujeros negros, estas singularidades no tienen ningún efecto medible sobre nada, y las predicciones de la relatividad general siguen siendo válidas.
En los últimos años, los investigadores han utilizado simulaciones computacionales para predecir la existencia de "singularidades desnudas" – es decir, singularidades que existen fuera de un horizonte de eventos. Las singularidades desnudas invalidarían la conjetura de la censura cósmica y, por extensión, la capacidad de la relatividad general de explicar el universo como una teoría independiente. Sin embargo, todas estas predicciones han sido modeladas en universos que existen en dimensiones superiores. Por ejemplo, en 2016, dos estudiantes de doctorado de Cambridge predijeron la existencia de una singularidad desnuda, pero sus predicciones se basaron en un universo de cinco dimensiones.
La nueva investigación, de Toby Crisford y Jorge Santos, del Departamento de matemática aplicada y física teórica de Cambridge, ha pronosticado la existencia de una singularidad desnuda en un universo de cuatro dimensiones, tres cotas espaciales, más el tiempo, por primera vez.
Sus predicciones muestran que una singularidad desnuda se puede formar en un tipo especial de espacio curvo conocido como espacio anti-de sitter, en el que el universo tiene una forma distintiva de "silla de montar". Según la relatividad general, los universos pueden tener varias formas, y el espacio anti-de sitter es una de estas formas posibles.
El espacio anti-de sitter tiene una estructura muy diferente al espacio plano. Particularmente tiene un límite que la luz puede alcanzar, en cuyo punto se refleja detrás. "es un poco como tener un espacio-tiempo en una caja", dijo Crisford. "En el límite, las paredes de la caja, tenemos la libertad de especificar lo que están haciendo los diferentes campos, y utilizamos esta libertad para agregar energía al sistema y eventualmente forzar la formación de una singularidad."
Mientras que los resultados no son directamente aplicables a nuestro universo, como 'forzar' una singularidad no es un procedimiento que es posible simular en espacio plano, abriendo nuevas oportunidades para estudiar otras teorías para entender el universo. Una de esas teorías podría implicar la gravedad cuántica, que proporciona nuevas ecuaciones cercanas a una singularidad.
"La singularidad desnuda que vemos es probable que desaparecerá si tuviéramos que incluir partículas cargadas en nuestra simulación – esto es algo que estamos investigando actualmente", dijo Santos. "Si es cierto, podría implicar una conexión entre la conjetura de la censura cósmica y la conjetura de la gravedad débil, que dice que cualquier teoría consistente de la gravedad cuántica debe contener partículas suficientemente cargadas." En el espacio anti-de sitter, la conjetura de la censura cósmica podría ser salvado por la conjetura de la gravedad débil.