Los científicos están mapeando la extraña y caótica espacio -tiempo dentro de los agujeros negros

La versión original de esta historia apareció en la revista Quanta.

Al comienzo del tiempo y el centro de cada agujero negro se encuentra un punto de densidad infinita llamada singularidad. Para explorar estos enigmas, tomamos lo que sabemos sobre el espacio, el tiempo, la gravedad y la mecánica cuántica y lo aplican a un lugar donde todas esas cosas simplemente se descomponen. Quizás no hay nada en el universo que desafíe más la imaginación. Los físicos todavía creen que si pueden encontrar una explicación coherente de lo que realmente sucede en las singularidades y sus alrededores, algo revelador surgirá, tal vez una nueva comprensión de de qué espacio y tiempo están hechos.

A fines de la década de 1960, algunos físicos especularon que las singularidades podrían estar rodeadas por una región del caos agitador, donde el espacio y el tiempo crecen y se encogen al azar. Charles Misner, de la Universidad de Maryland, lo llamó un "universo de mixmaster", después de lo que entonces era una línea popular de electrodomésticos de cocina. Si un astronauta cayera en un agujero negro, "uno puede imaginarlo mezclando las partes del cuerpo del astronauta en la forma en que un maestro de huevos o un breble de huevo mezcla la yema y el blanco de un huevo", escribió Kip Thorne, un físico ganador del Premio Nobel.

La teoría general de la relatividad de Einstein, que se utiliza para describir la gravedad de los agujeros negros, utiliza una ecuación de campo única para explicar cómo se mueven el espacio y la materia. Pero esa ecuación usa una taquigrafía matemática llamada tensor para ocultar 16 ecuaciones distintas y entrelazadas. Varios científicos, incluido Misner, habían ideado suposiciones útiles simplificadoras para permitirles explorar escenarios como el universo Mixmaster.

Sin esos supuestos, la ecuación de Einstein no pudo resolverse analíticamente, e incluso con ellas fue demasiado complicada para las simulaciones numéricas de la época. Al igual que el aparato que llevaron el nombre, estas ideas se pusieron de moda. Se supone que estas "dinámicas son un fenómeno muy general en la gravedad", dijo Gerben Oling, investigador postdoctoral en la Universidad de Edimburgo. "Pero es algo que se cayó del mapa".

En los últimos años, los físicos han estado revisando el caos en torno a las singularidades con nuevas herramientas matemáticas. Sus objetivos son dobles. Una esperanza es mostrar que las aproximaciones que Misner y otros hicieron son aproximaciones válidas de la gravedad einsteiniana. El otro es acercarse a las singularidades con la esperanza de que sus extremos ayuden a conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica en una teoría de la gravedad cuántica, que ha sido un objetivo de los físicos durante más de un siglo. Como dijo Sean Hartnoll de la Universidad de Cambridge, "ahora está maduro para que estas ideas se desarrollen completamente".

El nacimiento del caos de mixmaster

Thorne describió a finales de los años 60 como una "Edad de Oro" para la investigación de Black Hole. El término "agujero negro" acababa de entrar en uso generalizado. En septiembre de 1969, en una visita a Moscú, Thorne recibió un manuscrito por Evgeny Lifshitz, un destacado físico ucraniano. Junto con Vladimir Belinski e Isaak Khalatnikov, Lifschitz había encontrado una nueva solución a las ecuaciones de gravedad de Einstein cerca de una singularidad, utilizando suposiciones que los tres habían ideado. Lifshitz temía que los censores soviéticos retrasaran la publicación del resultado, ya que contradecía una prueba anterior de que había coautor, por lo que le pidió a Thorne que lo compartiera en Occidente.

Los modelos anteriores de Black Hole asumían simetrías perfectas que no se encuentran en la naturaleza, postulando, por ejemplo, que una estrella era una esfera perfecta antes de colapsar en un agujero negro, o que no tenía carga eléctrica neta. (Estos supuestos permitieron que las ecuaciones de Einstein se resolvieran, en la forma más simple, por Karl Schwarzschild poco después de que Einstein las publicara). La solución que Belinski, Khalatnikov y Lifschitz encontraron, que se llamó la solución BKL después de sus iniciales, describió lo que podría suceder en una situación desordenada, más realista en la forma de Black Holes de Holes de Holes de Holes de Holes de Holes de Holes de Holes de Holes de Holes, se llamó objeto. El resultado no fue un estiramiento suave de espacio y tiempo en el interior, sino un mar de espacio y tiempo que se extiende y se comprimió en múltiples direcciones.

Thorne contrabandeó el periódico a los Estados Unidos y envió una copia a Misner, a quien sabía que estaba pensando en líneas similares. Resultó que Misner y el grupo soviético habían dependiendo independientemente las mismas ideas utilizando supuestos similares y diferentes técnicas. Además, el grupo BKL "lo usó para resolver el mayor problema sin resolver de esa época en la relatividad matemática", dijo Thorne, con respecto a la existencia de lo que se conoce como una singularidad "genérica". Belinski, el último miembro sobreviviente del trío BKL, dijo recientemente en un correo electrónico que las vívidas descripciones de Misner a su vez lo ayudaron a visualizar la situación caótica cerca de las singularidades que ambos revelaron.