En la relatividad general , un agujero blanco es una región hipotética del espacio-tiempo y la singularidad a la que no se puede acceder desde el exterior, aunque la energía -materia , luz e información pueden escapar de ella. En este sentido, es el reverso de un agujero negro , del que no pueden escapar la energía-materia, la luz y la 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. [1] Sin embargo, esta región no existe para los agujeros negros que se han formado a través del colapso gravitacional , ni hay ningún proceso físico observado a través del cual se pueda 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 pueden ser esenciales para su formación. Stephen Hawking [2] y otros han propuesto que estos agujeros negros supermasivos podrían generar agujeros blancos supermasivos. [3]
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 nunca alcanzarían realmente el horizonte de sucesos del agujero blanco (aunque en el caso de la solución de Schwarzschild de extensión máxima , que se analiza más adelante, el horizonte de sucesos del agujero blanco en el pasado se convierte en un horizonte de sucesos del agujero negro en el futuro, por lo que cualquier objeto que caiga hacia él acabará alcanzando el horizonte del agujero negro). Imaginemos un campo gravitatorio, sin superficie. La aceleración debida a la gravedad es máxima 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 una superficie considerada en una singularidad.
En mecánica cuántica , el agujero negro emite radiación de Hawking y, por lo tanto, puede llegar al equilibrio térmico con un gas de radiación (no obligatorio). Debido a que un estado de equilibrio térmico es invariante a la inversión temporal, Stephen Hawking argumentó que la inversión temporal de un agujero negro en equilibrio térmico da como resultado un agujero blanco en equilibrio térmico (cada uno absorbe y emite energía en grados equivalentes). [4] [ se necesita más explicación ] En consecuencia, esto puede implicar que los agujeros negros y los agujeros blancos son recíprocos en estructura, en donde 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 mecánico cuántico , [5] donde un agujero negro en el espacio anti-de Sitter se describe por un gas térmico en una teoría de calibre , cuya inversión temporal es la misma que él mismo.
En la década de 1930, los físicos Robert Oppenheimer y Hartland Snyder introdujeron la idea de los agujeros blancos como solución a las ecuaciones de la relatividad general de Einstein . Estas ecuaciones, la base de la física moderna, describen la curvatura del espacio-tiempo debido a los objetos masivos. Mientras que los agujeros negros nacen del colapso de las estrellas, los agujeros blancos representan el nacimiento teórico del espacio, el tiempo y potencialmente incluso los universos. En el centro, el espacio y el tiempo no terminan en una singularidad, sino que continúan a través de una corta región de transición donde las ecuaciones de Einstein son violadas por efectos cuánticos. Desde esta región, el espacio y el tiempo emergen con la estructura de un interior de agujero blanco, una posibilidad ya sugerida por John Lighton Synge . [6]
La posibilidad de la existencia de agujeros blancos fue propuesta por el cosmólogo Igor Novikov en 1964, [7] desarrollada por Nikolai Kardashev . [8] 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 [ aclaración necesaria ] que describe un agujero negro eterno sin carga y sin rotación. Aquí, "máximamente extendido" implica que el espacio-tiempo no debería tener ningún "borde". Para cualquier trayectoria posible de una partícula en caída libre (siguiendo una geodésica ) en el espacio-tiempo, debería ser posible continuar este camino arbitrariamente lejos en el futuro de la partícula, a menos que la trayectoria golpee una singularidad gravitacional como la que está 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 las partículas que un observador externo ve elevarse alejándose del horizonte de sucesos. Para un observador externo que utilice 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 al observador han estado viajando hacia afuera durante un tiempo infinito desde que cruzaron el horizonte del agujero blanco infinitamente lejos en 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 eventualmente alcanzarán la región interior del agujero negro, también pueden pasar al observador en cualquier momento.
Así como hay dos regiones interiores separadas del espacio-tiempo de máxima extensión, también hay dos regiones exteriores separadas, a veces llamadas dos "universos" diferentes, y el segundo universo nos permite 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 cualquiera de los dos universos (y, por lo tanto, un observador que cayera desde un universo podría ser capaz de ver la luz que cayera desde el otro), y, de la misma manera, las partículas de la región interior del agujero blanco pueden escapar a cualquiera de los dos universos. Las cuatro regiones pueden verse en un diagrama del espacio-tiempo que utiliza las coordenadas de Kruskal-Szekeres (véase la figura). [9]
En este espacio-tiempo, es posible idear sistemas de coordenadas tales que si se elige una hipersuperficie de tiempo constante (un conjunto de puntos que tienen todos la misma coordenada de tiempo, de modo que cada punto de la superficie tiene una separación similar a la del espacio , dando lo que se llama una 'superficie similar al espacio') y se dibuja un "diagrama de incrustación" que representa la curvatura del espacio en ese momento, el diagrama de incrustación se verá como un tubo que conecta las dos regiones exteriores, conocido como un "puente de Einstein-Rosen" o agujero de gusano de Schwarzschild . [9] Dependiendo de dónde se elija la hipersuperficie similar al espacio, el puente de Einstein-Rosen puede conectar dos horizontes de eventos de agujero negro en cada universo (con puntos en el interior del puente siendo parte de la región del agujero negro del espacio-tiempo), o dos horizontes de eventos de agujero blanco en cada universo (con puntos en el interior del puente siendo parte de la región del agujero blanco). Sin embargo, es imposible utilizar el puente para cruzar de un universo a otro, porque es imposible entrar en el horizonte de sucesos de un agujero blanco desde el exterior, y cualquiera que entre en el horizonte de un agujero negro desde cualquiera de los universos inevitablemente chocará con la singularidad del agujero negro.
Obsérvese que la métrica de Schwarzschild máximamente extendida describe un agujero negro/agujero blanco idealizado que existe eternamente desde la perspectiva de los observadores externos; un agujero negro más realista que se forma en un momento determinado a partir de una estrella en colapso requeriría una métrica diferente. Cuando la materia estelar que cae se añade a un diagrama de la historia de un agujero negro, se elimina la parte del diagrama correspondiente a la región interior del agujero blanco. [10] Pero como las ecuaciones de la relatividad general son reversibles en el tiempo (exhiben simetría de inversión del tiempo) , la relatividad general también debe permitir la inversión del tiempo de este tipo de agujero negro "realista" que se forma a partir de materia en colapso. El caso de inversión del tiempo sería un agujero blanco que ha existido desde el principio del universo y que emite materia hasta que finalmente "explota" y desaparece. [11] A pesar de que estos objetos están permitidos teóricamente, los físicos no los toman tan en serio como a los agujeros negros, ya que no habría procesos que condujeran naturalmente a su formación; Sólo podrían existir si se hubieran construido en las condiciones iniciales del Big Bang . [11] Además, se predice que un agujero blanco de este tipo sería altamente "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 como la ven los observadores distantes, y la materia emitida desde la singularidad nunca podría escapar del radio gravitacional del agujero blanco. [12]
Dependiendo del tipo de solución de agujero negro considerada, existen varios tipos de agujeros blancos. En el caso del agujero negro de Schwarzschild mencionado anteriormente, una geodésica que sale de un agujero blanco proviene de la "singularidad gravitacional" que contiene. En el caso de un agujero negro que posee una carga eléctrica ψ ** Ώ ** ώ ( agujero negro de Reissner-Nordström ) o un momento angular , entonces el agujero blanco resulta ser la "puerta de salida" de un agujero negro existente en otro universo. Una configuración de agujero negro-agujero blanco de este tipo se llama agujero de gusano . Sin embargo, en ambos casos no es posible alcanzar la región "dentro" del agujero blanco, por lo que el comportamiento de este -y, en particular, lo que puede salir de él- es completamente imposible de predecir. En este sentido, un agujero blanco es una configuración según la cual no se puede predecir la evolución del universo, porque no es determinista. Una "singularidad desnuda" es otro ejemplo de una configuración no determinista, pero no tiene la condición de un agujero blanco, porque no hay ninguna región inaccesible desde una región dada. En su concepción básica, el Big Bang puede verse como una singularidad desnuda en el espacio exterior, pero no corresponde a un agujero blanco. [13]
En su modo de formación, un agujero negro proviene de un residuo de una estrella masiva cuyo núcleo se contrae hasta convertirse en un agujero negro. Esta configuración no es estática: se parte de un cuerpo masivo y alargado que se contrae para dar lugar a un agujero negro. Por tanto, el agujero negro no existe eternamente y no existe un agujero blanco correspondiente.
Para que un agujero blanco pueda existir, debe surgir de un proceso físico que conduzca a su formación o estar presente desde la creación del universo . Ninguna de estas soluciones parece satisfactoria: no se conoce ningún proceso astrofísico que pueda conducir a la formación de una configuración de este tipo, e imponerla desde la creación del universo equivale a suponer un conjunto muy específico de condiciones iniciales que no tienen ninguna motivación concreta.
En vista de las enormes cantidades radiadas por los cuásares , cuya luminosidad permite observarlos a varios miles de millones de años luz de distancia, se había supuesto que eran la sede de fenómenos físicos exóticos como un agujero blanco, o un fenómeno de creación continua de materia (véase el artículo sobre la teoría del estado estacionario ). Estas ideas se han abandonado actualmente, ya que las propiedades observadas de los cuásares se explican muy bien por las de un disco de acreción en cuyo centro se encuentra un agujero negro supermasivo . [13]
Una visión de los agujeros negros propuesta por primera vez a fines de la década de 1980 podría interpretarse como un aporte 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 expandiría fuera del universo original . [14] [15] [16]
La teoría de la gravedad de Einstein-Cartan-Sciama-Kibble extiende la relatividad general al eliminar una restricción de la simetría de la conexión afín y al considerar su parte antisimétrica, el tensor de torsión , como una variable dinámica. La torsión explica naturalmente el momento angular intrínseco ( spin ) de la materia, mecánico-cuántico. Según la relatividad general, el colapso gravitacional de una masa 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 gravitacional. En cambio, la materia que colapsa en el otro lado del horizonte de eventos alcanza una densidad enorme pero finita y rebota, formando un puente de Einstein-Rosen regular. [17] El otro lado del puente se convierte en un nuevo universo bebé en crecimiento. Para los observadores en el 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 muchos posibles 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 finito y mínimo. [18]
La cosmología de ondas de choque , propuesta por Joel Smoller y Blake Temple en 2003, considera el «big bang» como una explosión dentro de un agujero negro, que produce el volumen en expansión de espacio y materia que incluye el universo observable. [19] Este agujero negro acaba convirtiéndose en un agujero blanco a medida que la densidad de materia se reduce con la expansión. Una teoría relacionada ofrece una alternativa a la energía oscura. [20]
Un artículo de 2012 sostiene que el Big Bang en sí mismo es un agujero blanco. [21] Además, sugiere que la aparición de un agujero blanco, que se denominó "Small Bang", es espontánea: toda la materia se expulsa en un solo pulso. Por lo tanto, a diferencia de los agujeros negros, los agujeros blancos no se pueden observar de forma continua; más bien, sus efectos solo se pueden detectar alrededor del evento en sí. El artículo incluso propuso identificar un nuevo grupo de explosiones de rayos gamma con agujeros blancos.
A diferencia de los agujeros negros, para los que existe un proceso físico bien estudiado, el colapso gravitacional (que da lugar a los agujeros negros cuando una estrella algo más masiva que el Sol agota su "combustible" nuclear), no existe un proceso análogo claro que conduzca de forma fiable a la producción de agujeros blancos. Aunque se han propuesto algunas hipótesis:
En la actualidad, muy pocos científicos creen en la existencia de agujeros blancos y se considera sólo un ejercicio matemático sin equivalente en el mundo real. [27]
