Objetos compactos y agujeros negros:

Una estrella de gran masa puede terminar sus días de varias maneras. Cuando su combustible nuclear se ha agotado, lo que queda de la estrella, o sea lo que no fue expulsado al espacio, puede quedar en equilibrio hidrostático sostenido en contra de la atracción gravitacional por un efecto de la mecánica quántica: el llamado principio de exclusión de Pauli. Si esto pasa la estrella constituye una estrella compacta. Una estrella compacta puede ser una enana blanca, en el caso de que las partículas responsables por evitar el aplastamiento gravitacional sean electrones, o puede ser una estrella de neutrones si el gas que soporta el colapso son neutrones. Existen otras posibilidades como son las estrellas de quarks, en estos objetos la atracción gravitacional es tan intensa que los nucleones se parten y liberan sus partículas constitutivas que son los quarks. En las estrellas de quarks, los quarks estan “desconfinados” que quiere decir que forman un gas que puede moverse libremente por toda la estrella, como si la estrella fuera un gigantesco nucleon. En cambio, si la masa remanente de la estrella que agoto su combustible, es muy grande, pude ser que la atracción gravitacional sea tan grande que ninguna fuerza sea capaz de detener la implosión de la estrella. O sea en este caso la masa no puede quedar en equilibrio hidrostático, formando una esfera, sino que el campo gravitacional la va a hacer colapsar hasta un punto de infinita densidad. Debido a las ecuaciones de campo de Einstein, en este caso se va a formar una singularidad espacio-temporal, rodeada de un horizonte de eventos. El horizonte de eventos es, podemos decir, la frontera “exterior” de un agujero negro. Un agujero negro es una región de donde nada puede escapar al exterior, es una región atrapada del universo, nada de lo que esta allí puede escapar a otra región del universo. Durante algún tiempo se pensó que la rotación, y/o deformaciones de la estrella podría evitar la formación de la singularidad, sin embargo por medio de simulaciones numéricas del colapso de una estrella se comprobó que esto no es posible tampoco (ver Shapiro & Teukolski, PRL 1991, Cook, Shapiro & Teukolski, ApJ 1994). Siempre existió en la física teórica la “creencia” de que algún campo, o modificación de las ecuaciones de campo, evitarían esta aberración de la física. La esperanza esta centrada en los modelos de gravedad quántica, o sea en teorías que tratan de unificar la quántica con la teoría de la gravitación en una sola teoría.

La singularidad del agujero negro es una región del espacio tiempo en donde las leyes de la física no valen, y el campo gravitacional es singular allí. Esto significa que no hay una descripción matemática de la singularidad en si. Esto es perturbador, por el motivo de que nuestras teorías predicen la formación de algo que no podemos entender. Es una frontera en nuestro conocimiento. Peor aun que el principio de incerteza de Heisenberg. Es posible que una estrella colapse para formar una singularidad? Einstein no aceptaba la singularidad como algo físico. Durante mucho tiempo la mayoría de los físicos no se preocuparon por la singularidad, después de todo el modelo de agujero negro de Schwarzschild es una descripción apropiada del exterior de una estrella compacta. Hoy existen fuertes evidencias astronómicas de la existencia de agujeros negros en el centro de la mayoría de las galaxias. Como es el caso del agujero negro en el centro de nuestra galaxia Via Láctea, que contiene un agujero negro supermasivo (de unos 4 millones de masas solares) llamado Sagitario A* (Sagittarius A*).


(Imagen: Instituto Max Planck de Física Extraterrestre)



El concepto de agujero negro, no es tan problemático, sin embargo existe la llamada paradoja de la información asociada con el agujero negro. Los campos evolucionan de un modo extraño cuando se forma un agujero negro. Aunque inicialmente los campos puedan tener cierta coherencia quántica, después del colapso esa coherencia se pierde, en otras palabras se pierde la “unitariedad” en la evolución. La información inicial sobre la correlación y la fase de los campos se pierde después del colapso. Esta es la paradoja de la información de los agujeros negros.

El horizonte de eventos “viste” la singularidad, en el sentido de que la oculta de los observadores externos. Esto no es un consuelo para quien caiga en un agujero negro ya que inevitablemente se encontrara con la singularidad. Pero la vestidura del agujero negro significa que la singularidad queda fuera del dominio de causalidad de los campos externos al agujero negro. Esto significa que la singularidad no pertenece a la superficie de Cauchy que determina la evolución de los campos y de la materia. En teoría se piensa que todas las singularidades están contenidas en un agujero negro, y que no hay conexión entre la singularidad y los campos y materia de nuestro universo, esto es lo que constituye la hipótesis de censura cósmica (débil). Algunos teóricos como Hawking y Thorne dicen, en un tono humorístico, que la naturaleza aborrece las singularidades desnudas, y que por eso están “vestidas” por el agujero negro. De hecho, en 1991, Hawking jugo una apuesta contra Thorne y Preskill, de que no es posible obtener una singularidad desnuda como resultado de la evolución de los campos y materia, el perdedor compraría vestimentas para cubrir la desnudez del (o de los) ganador. En realidad, existen evidencias numéricas de que al menos en la formación de singularidades tipo aguja (“spindle”), no se forma un horizonte aparente como resultado del colapso. Sin embargo, la formación del horizonte de eventos no se ha podido probar en este caso (Shapiro & Teukolski, PRL 1991).
El tema es que si existieran singularidades “desnudas”, existiría un problema en la formulación de las ecuaciones de movimiento de los campos y materia: el llamado problema de la ruptura de predictibildad de la física (ver Hawking, PRD 1976) . En otras palabras se perdería la capacidad de predecir la evolución de los campos y de la materia, aun con la mecánica quántica.
La hipótesis de que la singularidad esta escindida del espacio tiempo, esto es que aun dentro del agujero negro, no existe conexión entre la singularidad y el espacio-tiempo en su entorno, se conoce como hipótesis de censura cósmica fuerte. La mayor dificultad en el estudio de los agujeros negros es una definición matemática precisa de lo que significa la censura cósmica (tanto la débil como la fuerte, ver Wald gr-qc/9710068).