Un estudio liderado por la UB describe la creación de agujeros negros sin singularidades mediante la gravedad pura
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Investigación
Los agujeros negros tradicionales, tal como los predice la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, contienen lo que se conocen como singularidades, es decir, puntos donde las leyes de la física se rompen. Identificar cómo se resuelven las singularidades en el contexto de la gravedad cuántica es uno de los problemas fundamentales en la física teórica. Ahora un equipo de expertos del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) ha descrito por primera vez la creación de agujeros negros regulares a partir de efectos gravitacionales y sin la necesidad de la existencia de materia exótica que exigían algunos modelos anteriores.
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Investigación
Los agujeros negros tradicionales, tal como los predice la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, contienen lo que se conocen como singularidades, es decir, puntos donde las leyes de la física se rompen. Identificar cómo se resuelven las singularidades en el contexto de la gravedad cuántica es uno de los problemas fundamentales en la física teórica. Ahora un equipo de expertos del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) ha descrito por primera vez la creación de agujeros negros regulares a partir de efectos gravitacionales y sin la necesidad de la existencia de materia exótica que exigían algunos modelos anteriores.
Este descubrimiento, publicado en la revista Physics Letters B, abre nuevas perspectivas para mejorar la comprensión de la naturaleza cuántica de la gravedad y la estructura verdadera del espacio-tiempo.
Agujeros negros sin singularidades
El término materia exótica se refiere a un tipo de materia que tiene propiedades inusuales, no halladas en la materia ordinaria. Con frecuencia tiene una densidad de energía negativa, crea efectos gravitacionales repulsivos y puede violar ciertas condiciones de la energía en la relatividad general. La materia exótica es en gran medida teórica y no se ha observado en la naturaleza, pero se utiliza en modelos para explorar conceptos como los agujeros de gusano, los viajes más rápidos que la luz y la resolución de las singularidades de los agujeros negros.
El nuevo estudio demuestra matemáticamente que una serie infinita de correcciones gravitacionales de orden superior pueden eliminar estas singularidades y dar como resultado los agujeros negros conocidos como regulares.
Este descubrimiento representa un cambio significativo respecto a las teorías anteriores y simplifica las condiciones necesarias para los agujeros negros regulares.
«La belleza de nuestra construcción radica en que solo se basa en modificaciones de las ecuaciones de Einstein predichas de forma natural por la gravedad cuántica. No son necesarios otros componentes», detalla el investigador Pablo A. Cano, del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica de la Facultad de Física y el ICCUB.
Las teorías que ha desplegado el equipo del ICCUB son aplicables a cualquier dimensión del espacio-tiempo mayor o igual a cinco. «La razón para considerar dimensiones espacio-tiempo más altas es puramente técnica», señala Cano, «ya que nos permite reducir la complejidad matemática del problema». Sin embargo, los investigadores aseguran que «las mismas conclusiones deberían aplicarse a nuestro espacio-tiempo de cuatro dimensiones».
«La mayoría de los científicos están de acuerdo en que las singularidades de la relatividad general deben resolverse en última instancia, aunque sabemos muy poco sobre cómo se podría conseguir este proceso. Nuestro trabajo proporciona el primer mecanismo para alcanzarlo de forma robusta, aunque bajo ciertas hipótesis de simetría», explica Robie Hennigar (UB, ICCUB). «Aún no ha quedado claro cómo la naturaleza impide la formación de singularidades en el universo, pero esperamos que nuestro modelo nos ayude a obtener una mejor comprensión de este proceso», precisa el experto.
Explorar los descubrimientos en escenarios astrofísicos
El estudio también explora las propiedades termodinámicas de estos agujeros negros regulares y desvela que cumplen con la primera ley de la termodinámica. Las teorías desarrolladas proporcionan un marco robusto para comprender la termodinámica de los agujeros negros de forma completamente universal e inequívoca. Esta consistencia añade credibilidad y potencial aplicabilidad a los resultados de la investigación.
Los investigadores planean extender su trabajo al espacio-tiempo de cuatro dimensiones y explorar las implicaciones de sus descubrimientos en diversos escenarios astrofísicos. También tienen como objetivo investigar la estabilidad y las posibles firmas observacionales de estos agujeros negros regulares.
«Estas teorías no solo predicen agujeros negros sin singularidad, sino que también nos permiten entender cómo se forman estos objetos y cuál es el destino de la materia que cae dentro de un agujero negro. Ya estamos trabajando en estas preguntas y esperamos encontrar resultados realmente emocionantes», concluye Cano.
Artículo de referencia
Bueno, Pablo; Cano, Pablo A.; Hennigar, Robie A. «Regular black holes from pure gravity». Physics Letters B, gener de 2025. DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139260
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De izquierda a derecha, los investigadores Pablo Cano y Pablo Bueno, miembros del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB).
El experto Robie Hennigar también es miembro del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB).
La nueva construcción se basa solo en modificaciones de las ecuaciones de Einstein predichas de forma natural por la gravedad cuántica.