Agujero blanco

En relatividad general, un agujero blanco es una región hipotética de espacio-tiempo y singularidad a la que no se puede entrar desde el exterior, aunque de él se puede escapar energía-materia, luz e información. En este sentido, es el reverso de un agujero negro, del que no pueden escapar energía-materia, luz e información. Los agujeros blancos aparecen en la teoría de los agujeros negros eternos. Además de una región de agujero negro en el futuro, tal solución de las ecuaciones de campo de Einstein tiene una región de agujero blanco en su pasado. Sin embargo, esta región no existe para los agujeros negros que se han formado a través del colapso gravitacional, ni se han observado procesos físicos a través de los cuales se podría formar un agujero blanco.

Se predice teóricamente que los agujeros negros supermasivos (SMBH, por sus siglas en inglés) se encuentran en el centro de cada galaxia y que, posiblemente, no se puede formar una galaxia sin uno. Stephen Hawking y otros han propuesto que estos agujeros negros supermasivos generan un agujero blanco supermasivo.

Resumen

Al igual que los agujeros negros, los agujeros blancos tienen propiedades como masa, carga y momento angular. Atraen materia como cualquier otra masa, pero los objetos que caen hacia un agujero blanco en realidad nunca alcanzarían el horizonte de eventos del agujero blanco (aunque en el caso de la solución de Schwarzschild extendida al máximo, discutida más adelante, el horizonte de eventos del agujero blanco en el pasado se convierte en un horizonte de sucesos de un agujero negro en el futuro, por lo que cualquier objeto que caiga hacia él eventualmente alcanzará el horizonte del agujero negro). Imagina un campo gravitatorio, sin superficie. La aceleración debida a la gravedad es mayor en la superficie de cualquier cuerpo. Pero como los agujeros negros carecen de superficie, la aceleración debida a la gravedad aumenta exponencialmente, pero nunca alcanza un valor final ya que no hay superficie considerada en una singularidad.

En mecánica cuántica, el agujero negro emite radiación de Hawking, por lo que puede llegar al equilibrio térmico con un gas de radiación (no obligatorio). Debido a que un estado de equilibrio térmico es invariable a la inversión del tiempo, Stephen Hawking argumentó que la inversión del tiempo de un agujero negro en equilibrio térmico da como resultado un agujero blanco en equilibrio térmico (cada uno absorbiendo y emitiendo energía en grados equivalentes). En consecuencia, esto puede implicar que los agujeros negros y los agujeros blancos tienen una estructura recíproca, en la que la radiación de Hawking de un agujero negro ordinario se identifica con la emisión de energía y materia de un agujero blanco. El argumento semiclásico de Hawking se reproduce en un tratamiento AdS/CFT de mecánica cuántica, donde un agujero negro en el espacio anti-de Sitter se describe mediante un gas térmico en una teoría de calibre, cuya inversión de tiempo es la misma que la de él mismo.

Origen

Un diagrama de la estructura del agujero negro maximalmente extendido espacio. La dirección horizontal es el espacio y la dirección vertical es el tiempo.

La posibilidad de la existencia de agujeros blancos fue propuesta por el cosmólogo ruso Igor Novikov en 1964. Los agujeros blancos se predicen como parte de una solución a las ecuaciones de campo de Einstein conocidas como la versión máximamente extendida de la métrica de Schwarzschild que describe un negro eterno agujero sin carga y sin rotación. Aquí, "extendido al máximo" se refiere a la idea de que el espacio-tiempo no debería tener 'bordes': para cualquier posible trayectoria de una partícula en caída libre (siguiendo una geodésica) en el espacio-tiempo, debería ser posible continuar este camino arbitrariamente hacia el interior. el futuro de la partícula, a menos que la trayectoria golpee una singularidad gravitatoria como la que se encuentra en el centro del interior del agujero negro. Para satisfacer este requisito, resulta que además de la región interior del agujero negro en la que entran las partículas cuando caen a través del horizonte de sucesos desde el exterior, debe haber una región interior separada del agujero blanco, lo que nos permite extrapolar las trayectorias. de partículas que un observador externo ve elevarse lejos del horizonte de sucesos. Para un observador externo que usa las coordenadas de Schwarzschild, las partículas que caen tardan un tiempo infinito en alcanzar el horizonte del agujero negro infinitamente lejos en el futuro, mientras que las partículas salientes que pasan junto al observador han estado viajando hacia afuera durante un tiempo infinito desde que cruzaron el horizonte del agujero blanco infinitamente lejos en el futuro. el pasado (sin embargo, las partículas u otros objetos experimentan solo un tiempo propio finito entre cruzar el horizonte y pasar al observador externo). El agujero negro/agujero blanco parece "eterno" desde la perspectiva de un observador externo, en el sentido de que las partículas que viajan hacia afuera desde la región interior del agujero blanco pueden pasar al observador en cualquier momento, y las partículas que viajan hacia adentro, que finalmente llegarán a la región interior del agujero negro, también pueden pasar al observador en cualquier momento. tiempo.

Así como hay dos regiones interiores separadas del espacio-tiempo extendido al máximo, también hay dos regiones exteriores separadas, a veces llamadas dos 'universos' diferentes, con el segundo universo permitiéndonos extrapolar algunas posibles trayectorias de partículas en las dos regiones interiores. Esto significa que la región interior del agujero negro puede contener una mezcla de partículas que cayeron desde cualquier universo (y, por lo tanto, un observador que cayó desde un universo podría ver la luz que cayó desde el otro), y del mismo modo partículas desde la región interior del agujero blanco puede escapar a cualquiera de los dos universos. Las cuatro regiones se pueden ver en un diagrama de espacio-tiempo que usa las coordenadas de Kruskal-Szekeres (ver figura).

En este espacio-tiempo, es posible generar sistemas de coordenadas tales que si elige una hipersuperficie de tiempo constante (un conjunto de puntos que tienen todos la misma coordenada de tiempo, de modo que cada punto en la superficie tiene un espacio- como separación, dando lo que se llama una 'superficie similar a un espacio') y dibuje un "diagrama de incrustación" representando la curvatura del espacio en ese momento, el diagrama de incrustación se verá como un tubo que conecta las dos regiones exteriores, conocido como "puente de Einstein-Rosen" o el agujero de gusano de Schwarzschild. Dependiendo de dónde se elija la hipersuperficie similar al espacio, el puente de Einstein-Rosen puede conectar dos horizontes de eventos de agujeros negros en cada universo (con puntos en el interior del puente que forman parte de la región de agujeros negros del espacio-tiempo), o dos horizontes de eventos de agujeros blancos en cada universo (con puntos en el interior del puente que forman parte de la región del agujero blanco). Sin embargo, es imposible usar el puente para cruzar de un universo a otro, porque es imposible ingresar al horizonte de eventos de un agujero blanco desde el exterior, y cualquiera que ingrese al horizonte de un agujero negro desde cualquier universo inevitablemente chocará con la singularidad del agujero negro..

Tenga en cuenta que la métrica de Schwarzschild extendida al máximo describe un agujero negro/agujero blanco idealizado que existe eternamente desde la perspectiva de los observadores externos; un agujero negro más realista que se forme en un momento determinado a partir de una estrella que colapsa requeriría una métrica diferente. Cuando la materia estelar que cae se agrega a un diagrama de la historia de un agujero negro, elimina la parte del diagrama correspondiente a la región interior del agujero blanco. Pero debido a que las ecuaciones de la relatividad general son reversibles en el tiempo (exhiben simetría de inversión temporal), la relatividad general también debe permitir la inversión temporal de este tipo de 'realista'. agujero negro que se forma a partir del colapso de la materia. El caso invertido en el tiempo sería un agujero blanco que existe desde el comienzo del universo, y que emite materia hasta que finalmente 'explota'. y desaparece. A pesar de que tales objetos están permitidos teóricamente, los físicos no los toman tan en serio como los agujeros negros, ya que no habría procesos que condujeran naturalmente a su formación; solo podrían existir si estuvieran integrados en las condiciones iniciales del Big Bang. Además, se predice que un agujero blanco de este tipo sería muy 'inestable'. en el sentido de que si una pequeña cantidad de materia cayera hacia el horizonte desde el exterior, esto evitaría la explosión del agujero blanco vista por observadores distantes, y la materia emitida por la singularidad nunca podría escapar del agujero blanco. 39;s radio gravitacional.

Big Bang/agujero blanco supermasivo

Una visión de los agujeros negros propuesta por primera vez a fines de la década de 1980 podría interpretarse como que arroja algo de luz sobre la naturaleza de los agujeros blancos clásicos. Algunos investigadores han propuesto que cuando se forma un agujero negro, puede ocurrir un Big Bang en el núcleo/singularidad, lo que crearía un nuevo universo que se expande fuera del universo padre. Véase también Universos fecundos.

La teoría de la gravedad de Einstein-Cartan-Sciama-Kibble amplía la relatividad general eliminando una restricción de la simetría de la conexión afín y considerando su parte antisimétrica, el tensor de torsión, como una variable dinámica. La torsión explica naturalmente el momento angular intrínseco de la mecánica cuántica (giro) de la materia.

Según la relatividad general, el colapso gravitacional de una masa lo suficientemente compacta forma un agujero negro singular. Sin embargo, en la teoría de Einstein-Cartan, el acoplamiento mínimo entre la torsión y los espinores de Dirac genera una interacción repulsiva espín-espín que es significativa en la materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Tal interacción evita la formación de una singularidad gravitatoria. En cambio, la materia que colapsa al otro lado del horizonte de eventos alcanza una densidad enorme pero finita y rebota, formando un puente Einstein-Rosen regular. El otro lado del puente se convierte en un nuevo universo de bebés en crecimiento. Para los observadores del universo bebé, el universo padre aparece como el único agujero blanco. En consecuencia, el universo observable es el interior de Einstein-Rosen de un agujero negro que existe como uno de los posibles muchos dentro de un universo más grande. El Big Bang fue un Big Bounce no singular en el que el universo observable tenía un factor de escala mínimo finito.

Un artículo de 2012 sostiene que el propio Big Bang es un agujero blanco. Además, sugiere que la aparición de un agujero blanco, que se denominó "pequeño estallido", es espontánea: toda la materia es expulsada en un solo pulso. Por lo tanto, a diferencia de los agujeros negros, los agujeros blancos no se pueden observar continuamente; más bien, sus efectos pueden detectarse solo alrededor del evento en sí. El artículo incluso proponía identificar un nuevo grupo de estallidos de rayos gamma con agujeros blancos.

Pero muchos científicos argumentan que el universo no está formado por una eyección de materia por un agujero blanco, ya que la teoría sugiere que la materia en un agujero blanco no puede entrar desde el exterior.

En 2014, Madriz Aguilar, Moreno y Bellini exploraron la idea del Big Bang producido por la explosión de un agujero blanco supermasivo en el marco de un vacío de cinco dimensiones.