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10-02-2019

LAS DIEZ COSAS MÁS INCREÍBLES DE LOS AGUJEROS NEGROS (I)

Los agujeros negros (AN) son, con mucha diferencia, los objetos físicos reales más extraños y fascinantes que

existen en el Universo. Las leyes de la física predicen que en estos extraños objetos suceden fenómenos que

desafían completamente la capacidad de visualización y entendimiento del cerebro humano. En este artículo veremos

diez de los fenómenos más extraños (y desconocidos) sobre estos misteriosos objetos que pueblan nuestro Universo.

1º) LA POSICIÓN DEL HORIZONTE DE SUCESOS DEPENDE DEL FUTURO DEL AGUJERO NEGRO

La imagen convencional que prácticamente todos tenemos de un agujero negro es la de una especie de "sumidero"

cósmico que atrapa todo lo que atraviesa un determinado "borde" denominado horizonte de sucesos. Sin, embargo,

como veremos, esta simple imagen no es totalmente correcta, de hecho, definir incluso que es un AN no está exento

de problemas. En 1971 S.Hawking propuso la definición formal de horizonte de sucesos: este se define como el límite

del pasado causal del "future null infinity", es decir, el "borde" que separa la región del espacio-tiempo (el interior del AN)

que está causamente desconectada del exterior (donde el exterior incluye no solo el espacio sino también el tiempo). El

problema con esta definición es que los agujeros negros reales son dinámicos, es decir, se evaporan con el tiempo hasta

desaparecer por completo y para definir la posición del horizonte de sucesos en el instante actual deberíamos conocer la

información del "future null infinity", es decir, las magnitudes físicas del AN (masa-energía, momento angular y carga

eléctrica) de toda la evolución futura del AN, lo cual, evidentemente es imposible.

Otro importante problema a la hora de definir el "borde" de un AN es que no existe ningún experimento físico local que

pueda decirnos la posición del horizonte de sucesos, el horizonte de sucesos es por tanto una frontera teórica, acausal

y no física. Para realizar cálculos teóricos prácticos sobre AN se suelen utilizan otro tipo de horizontes como los

"trapped horizons" o los "aparent horizons" aunque estos también incluyen problemas derivados de sus definiciones.

Por si estos problemas no complicaran ya suficientemente la descripción de un AN, existe otra complicación más extraña y

espectacular si cabe: los horizontes de sucesos pueden darse incluso en un espacio- tiempo plano. Para ver esto,

imaginemos una masa de polvo estelar esférica cuya masa está localizada en el borde y que comienza a colapsar por

efecto de la gravedad. Imaginemos que en un instante t0 se emite un fotón desde el centro de la masa en colapso. El fotón

se expande hacia afuera mientras que la masa colapsa hacia adentro. Si el fotón alcanza el borde en un instante t1 posterior

al momento en el que la masa en colapso ha alcanzado el radio de Schwarzschild este ya nunca podrá escapar al exterior.

Esto implica que en algún momento entre t0 y t1 se ha formado un horizonte de eventos en el interior de la esfera y que

este horizonte se ha expandido hacia afuera, incluso teniendo en cuenta que el interior de la esfera en colapso no hay

gravedad (la masa en colapso es perfectamente esférica) y por tanto el espacio-tiempo es plano. Este fenómeno abre

incluso la posibilidad de que en este instante estemos siendo atravesados por un horizonte de sucesos de una enorme

masa esférica que está colapsando desde más alla de nuestro pasado causal produciendo que este instante sea

nuestra última posibilidad de enviar información al exterior.

Todo esto nos hace preguntarnos ¿Que es entonces un AN? ¿Como podemos definir un AN sino podemos definir con

claridad donde está su borde?

                        

Esquema de una fina capa esférica de masa (linea negra) que cae hacia un agujero negro ya formado (parte

azul). El horizonte de sucesos (linea roja), debido a su propia definición, es una frontera acausal que depende

del futuro del AN y por tanto, comienza a aumentar ANTES de que la masa esférica entre en el AN anticipándose

a que suceda la entrada de la materia en el AN. Los llamados horizontes aparentes son locales y respetan la

causalidad pero contienen discontinuidades (linea verde sobre a la linea negra del "thin mass shell").

2º) LA RADIACIÓN DEL AGUJERO NEGRO NO SE PRODUCE SOLO DESDE EL HORIZONTE

El célebre físico S.Hawking descubrió que los AN emiten radiación. La imagen aproximada que todos tenemos de un

proceso como este es la de un objeto totalmente oscuro que emite radiación desde el horizonte de sucesos. Sin embargo,

una vez más esta imagen no es del todo correcta.

La mecánica cuántica implica una incertidumbre intrínseca acerca de la posición exacta del horizonte de sucesos. Teniendo

en cuenta este hecho junto a diversos efectos relativistas obtenemos que desde el sistema de referencia de un observador

exterior la radiación de Hawking se emite desde posiciones comprendidas entre 2Mlp2 y 3Mlp2 aunque tiene un pico de

intensidad cerca del horizonte (la posición 2Mlp2). Es decir, la radiación es emitida dentro de una zona que puede estar

bastante alejada del AN. Hay que tener en cuenta que la radiación de Hawking es un proceso lentísimo y posee una longitud

de onda enorme, esto, unido a la incertidumbre en la posición desde donde es emitida hace que esta radiación sea casi

imposible de detectar. Además, esta radiación posee otra característa inusual: los cuantos de radiación emitidos están

entrelazados cuánticamente y se emiten en direcciones opuestas lo que produce que mientras que uno de los miembros

de la "pareja entrelazada" escapa al exterior, el otro atraviesa el horizonte desapareciendo por completo del "Universo exterior".

Este fenómeno produce que, desde un sistema de referencia exterior el AN produce y absorve entropía negativa.

 

3º) EL HORIZONTE DE SUCESOS "SE ALEJA" A LA VELOCIDAD DE LA LUZ

El "borde" de un AN denominado horizonte de sucesos es una superficie con características muy extrañas. Visto

desde un observador exterior en reposo el horizonte de sucesos se aleja a la velocidad de la luz, es decir, es una

superficie inalcanzable como lo es un rayo de luz. Si vieramos a un astronauta caer desde este sistema de referencia

exterior veríamos lo mismo que si este estuviese acelerando hasta casi la velocidad de la luz: el tiempo del astronauta

parecería ir más y más lento hasta que en el borde parecería congelarse. Sin embargo, desde el sistema de referencia

del astronauta que cae todo transcurre normalmente, incluso puede atravesar el horizonte de sucesos sin ver nada

extraordinario. ¿Como es posible reconciliar ambas historias totalmente contradictorias?

4º) EL AGUJERO NEGRO ES UNA SUPERPOSICIÓN DE DIFERENTES GEOMETRÍAS

Cuando nace un AN la incertidumbre en su posición y momento es del orden de 2M sin embargo, cuando un

AN es viejo (cerca del final del proceso de evaporación) la incertidumbre es del orden de M2. Según el AN

va radiando energía la geometría del mismo va cambiando por lo que podemos considerar al AN como una

superposición cuántica de diferentes geometrías. De forma similar a lo que sucede con una partícula cuántica

no es posible localizar al AN en una posición determinada sino que es un sistema cuántico en superposición

de un enorme número de posibles geometrías. Esto implica tambíen otro hecho sorprendente: para describir

el interior de un AN no podemos usar solo un sistema de referencia de un observador que cae hacia el AN,

necesitamos todo un conjunto de sistemas de referencia de distintos observadores en distintos instantes de

tiempo. Podemos decir entonces que el interior del AN es una superposición de diferentes geometrías

definidas en diferentes instantes de tiempo.

5º) EL AN ALMACENA UNA CANTIDAD INMENSA DE INFORMACIÓN

En este punto tratamos una de las características más extrañas (si cabe) de los AN. La expresión de Bekenstein-

Hawking nos dice que un AN posee kc3A/4hg microestados diferentes. Esto supone una inmensa cantidad de

microestados, muchísimos más que cualquier objeto conocido. Además, esta expresión nos dice que los

microestados de un AN no aumentan con el volumen del AN sino que solo dependen de la superficie del AN.

¿Como es esto posible? Si esto de por si es muy extraño el misterio aumenta cuando tenemos en cuenta

que según la relatividad general el AN es un objeto muy simple y sin estructura interior: está completamente

definido por solo tres magnitudes físicas: masa, carga eléctrica y momento angular. ¿Es el AN un objeto simple

y sin estructura como nos indica la relatividad general o un objeto complejísimo con una inmensa cantidad de

microestados como nos indica la mecánica cuántica? Si la segunda opción es la la correcta ¿Donde se almacena

esa inmensa cantidad de información? Por si esto fuera poco, existe otra aparente paradoja: desde el punto de

vista de un observador que cae hacia el AN este atraviesa el horizonte sin notar nada extraño, por lo que la

información de este objeto quedará para siempre dentro del AN, sin embargo, para un observador exterior la

información sobre los objetos que han caido en el AN es radiada hacia el exterior lo que implica una impactante

inconsistencia ¿Donde se encuentra realmente la información?

Una posible explicación de estas paradojas se dará en el siguiente apartado, en la segunda entrega de este artículo.

 

Fuentes: Black holes as local horizons, Reanalyzing an evaporating black hole, The black hole interior in

quantum gravity

 

 

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Autor: IIII
10/2/2019
IIII