¿Podemos ver una singularidad, el objeto más extremo del universo?

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Un equipo de científicos del Instituto Tata de Investigación Fundamental (TIFR por sus siglas en inglés), en Mumbai, India, ha hallado nuevas formas de detectar una singularidad desnuda, el objeto más extremo del universo.

Cuando se gasta el combustible de una estrella muy masiva, se colapsa debido a su propia atracción gravitacional y eventualmente se convierte en una región muy pequeña de densidad de materia arbitrariamente alta, es decir, una “singularidad”, donde las leyes usuales de la física pueden romperse. Si esta singularidad se oculta dentro de un horizonte de sucesos, que es una superficie cerrada invisible de la que nada, ni siquiera la luz, puede escapar, entonces llamamos a este objeto un agujero negro. En tal caso, no podemos ver la singularidad y no necesitamos preocuparnos por sus efectos. Pero, ¿qué pasa si el horizonte de eventos no se llega a formar? De hecho, la teoría de Einstein de la relatividad general predice una posibilidad como esta cuando las estrellas masivas se colapsan al final de sus ciclos de vida. En este caso, nos queda la tentadora opción de poder observar una singularidad desnuda.

(Imagen ampliable) Un agujero negro (a la izquierda) y una singularidad desnuda (a la derecha). La línea discontinua representa el horizonte de eventos del agujero negro, que está ausente en el caso de una singularidad desnuda, y las flechas representan la dirección en la que viajan los rayos de luz. En el caso del agujero negro, debido a la presencia de un horizonte de eventos, todos los rayos de luz dentro de él necesariamente terminan en la singularidad. Sin embargo, los rayos de luz pueden escapar de la vecindad de una singularidad desnuda a un observador lejano que la hace visible. Imagen: Sudip Bhattacharyya, Pankaj Joshi

Una pregunta importante entonces es, ¿cómo distinguir observacionalmente una singularidad desnuda de un agujero negro? La teoría de Einstein predice un efecto interesante: la estructura del espacio-tiempo en la vecindad de cualquier objeto rotatorio se retuerce debido a esta rotación. Este efecto provoca un spin giroscópico y hace órbitas de partículas alrededor de estos objetos astrofísicos (llamado precesión). El equipo de TIFR ha argumentado recientemente que la velocidad a la que un giroscopio precesa (la frecuencia de precesión), cuando se coloca alrededor de un agujero negro rotatorio o una singularidad desnuda, podría utilizarse para identificar este objeto giratorio. Aquí está una manera simple de describir sus resultados. Si un astronauta registra la frecuencia de precesión de un giroscopio en dos puntos fijos cercanos al objeto giratorio, se pueden dar dos posibilidades: (1) la frecuencia de precesión del giroscopio cambia en una cantidad arbitrariamente grande, es decir, se da un cambio brutal en el comportamiento del giroscopio; y (2) la frecuencia de precesión cambia en una pequeña cantidad, de manera regular bien comportada. Para el caso (1), el objeto giratorio es un agujero negro, mientras que para el caso (2), es una singularidad desnuda.

El equipo del TIFR, en concreto el Dr. Chandrachur Chakraborty, el Sr. Prashant Kocherlakota, el Profesor Sudip Bhattacharyya y el Profesor Pankaj Joshi, en colaboración con un equipo polaco compuesto por el Dr. Mandar Patil y el Prof. Andrzej Krolak, ha demostrado que la frecuencia de precesión de un giroscopio orbitando un agujero negro o una singularidad desnuda es sensible a la presencia de un horizonte de sucesos. Un giroscopio que gira en círculos y se acerca al horizonte de eventos de un agujero negro desde cualquier dirección se comporta cada vez más “salvajemente”, es decir, precesa cada vez más rápido, sin un límite. Pero, en el caso de una singularidad desnuda, la frecuencia de precesión se hace arbitrariamente grande sólo en el plano ecuatorial, pero siendo regular en todos los demás planos.

El equipo TIFR también ha encontrado que la precesión de las órbitas de la materia que cae en un agujero negro rotatorio o una singularidad desnuda se puede utilizar para distinguir estos objetos exóticos. Esto se debe a que la frecuencia de precesión del plano orbital aumenta a medida que la materia se aproxima a un agujero negro giratorio, pero esta frecuencia puede disminuir e incluso llegar a cero para una singularidad desnuda giratoria. Este hallazgo podría utilizarse para distinguir una singularidad desnuda de un agujero negro en la realidad, ya que las frecuencias de precesión podrían medirse en longitudes de onda de rayos X, ya que la materia incidente irradia rayos X.

Artículo original publicado por el Instituto Tata de Investigación Fundamental. Revisado y traducido por ¡QFC!

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2017-04-24T00:28:08+00:00