Desde que la teoría de la relatividad general de Einstein sugirió la existencia de los agujeros negros, la comunidad científica ha mantenido una actitud cautelosa hacia una característica peculiar de estos objetos: la singularidad en su centro. Este punto, oculto tras el horizonte de eventos, plantea un desafío a las leyes de la física que rigen el resto del universo, ya que parece ser un lugar donde dichas leyes dejan de aplicarse. Durante años, investigadores han explorado modelos alternativos que evitan la presencia de singularidades.
Un nuevo estudio publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, resultado de investigaciones en el Instituto de Física Fundamental del Universo (IFPU) en Trieste, revisa el estado actual de esta línea de trabajo. El artículo describe dos modelos alternativos, propone pruebas observacionales y explora cómo esta investigación podría contribuir al desarrollo de una teoría de la gravedad cuántica.
Modelos alternativos de agujeros negros
Stefano Liberati, uno de los autores del estudio y director del IFPU, menciona que la frase «Hic sunt leones» se refiere a la singularidad hipotética predicha en el centro de los agujeros negros estándar, aquellos descritos por las ecuaciones de campo de Einstein. Para entender mejor esta cuestión, es útil un breve repaso histórico.
En 1915, Einstein publicó su obra seminal sobre la relatividad general. Un año más tarde, el físico alemán Karl Schwarzschild encontró una solución exacta a esas ecuaciones, que implicaba la existencia de objetos extremos ahora conocidos como agujeros negros. Estos objetos tienen una masa tan concentrada que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de su atracción gravitacional.
Sin embargo, desde el inicio surgieron aspectos problemáticos que provocaron un debate que ha durado décadas. En la década de 1960, se hizo evidente que la curvatura del espacio-tiempo se vuelve verdaderamente infinita en el centro de un agujero negro, generando una singularidad donde, aparentemente, las leyes de la física dejan de aplicarse. Si esta singularidad fuese real y no solo un artefacto matemático, implicaría que la relatividad general se quiebra bajo condiciones extremas. Para gran parte de la comunidad científica, el término «singularidad» ha llegado a ser una especie de bandera blanca: un indicativo de que simplemente no sabemos qué sucede en esa región.
A pesar del debate en torno a las singularidades, la evidencia científica sobre la existencia de agujeros negros ha seguido creciendo desde la década de 1970, alcanzando hitos significativos como los Premios Nobel de Física de 2017 y 2020. Momentos clave incluyen la primera detección de ondas gravitacionales en 2015, revelando la fusión de dos agujeros negros, y las extraordinarias imágenes capturadas por el Telescopio del Horizonte de Eventos (EHT) en 2019 y 2022. Sin embargo, ninguna de estas observaciones ha proporcionado respuestas definitivas sobre la naturaleza de las singularidades.
Este contexto ha llevado a los investigadores a buscar un nuevo paradigma, uno en el que la singularidad sea «sanada» por efectos cuánticos que la gravedad debe mostrar bajo condiciones extremas. Esto conduce de forma natural a modelos de agujeros negros sin singularidades, como los explorados en el trabajo de Liberati y sus colaboradores.
El estudio también describe cómo podrían formarse los agujeros negros regulares y los «miméticos», que reproducen las características externas de un agujero negro pero carecen de singularidad y horizonte de eventos. A pesar de que las observaciones hasta ahora han sido fundamentales, no ofrecen una visión clara sobre si existe una singularidad en el centro de estos objetos.
“No todo está perdido”, afirma Liberati. «Los agujeros negros regulares, y especialmente los miméticos, nunca son exactamente idénticos a los agujeros negros estándar, ni siquiera en el exterior del horizonte. Así que observaciones que analicen estas regiones podrían, indirectamente, revelarnos algo sobre su estructura interna.»
Para ello, se necesitarán medir desviaciones sutiles de las predicciones de la teoría de Einstein, empleando instrumentos cada vez más sofisticados y diferentes canales de observación. Por ejemplo, en el caso de los miméticos, la imagen de alta resolución proporcionada por el Telescopio del Horizonte de Eventos podría revelar detalles inesperados en la luz que se curva alrededor de estos objetos, como anillos de fotones más complejos. Las ondas gravitacionales podrían mostrar anomalías sutiles compatibles con geometrías del espacio-tiempo no clásicas.
La investigación en este ámbito presenta un futuro prometedor, ya que podría facilitar el desarrollo de una teoría cuántica de la gravedad, un puente entre la relatividad general, que describe el universo a gran escala, y la mecánica cuántica, que rige el mundo subatómico. “Lo que nos espera en la investigación sobre la gravedad”, concluye Liberati, “es un momento verdaderamente emocionante. Estamos entrando en una era donde se abre un vasto y aún inexplorado paisaje delante de nosotros.”
