Els forats negres tradicionals, tal com els prediu la teoria de la relativitat general d’Albert Einstein, contenen el que es coneixen com a singularitats, és a dir, punts on les lleis de la física es trenquen. Identificar com es resolen les singularitats en el context de la gravetat quàntica és un dels problemes fonamentals en la física teòrica. Ara un equip d’experts de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) ha descrit per primer cop la creació de forats negres regulars a partir d’efectes gravitacionals i sense la necessitat que existeixi matèria exòtica que exigien alguns models anteriors.
Aquesta descoberta, publicada a la revista Physics Letters B, obre noves perspectives per millorar la comprensió de la naturalesa quàntica de la gravetat i l’estructura veritable de l’espaitemps.
Forats negres sense singularitats
El terme matèria exòtica es refereix a un tipus de matèria que té propietats inusuals, no trobades en la matèria ordinària. Sovint té una densitat d’energia negativa, crea efectes gravitacionals repulsius i pot violar certes condicions de l’energia en la relativitat general. La matèria exòtica és en gran part teòrica i no s’ha observat a la natura, però s’utilitza en models per explorar conceptes com els forats de cuc, els viatges més ràpids que la llum i la resolució de les singularitats dels forats negres.
El nou estudi demostra matemàticament que una sèrie infinita de correccions gravitacionals d’ordre superior poden eliminar aquestes singularitats i donar com a resultat els forats negres coneguts com a regulars.
A diferència dels models previs, que requerien matèria exòtica, aquest nou treball revela que la gravetat pura —sense camps de matèria addicionals— pot generar forats negres regulars sense singularitats.
Aquesta descoberta representa un canvi significatiu respecte a les teories anteriors i simplifica les condicions necessàries per als forats negres regulars.
«La bellesa de la nostra construcció rau en el fet que només es basa en modificacions de les equacions d’Einstein predites de manera natural per la gravetat quàntica. No calen altres components», detalla l’investigador Pablo A. Cano, del Departament de Física Quàntica i Astrofísica de la Facultat de Física i l’ICCUB.
Les teories que ha desplegat l’equip de l’ICCUB són aplicables a qualsevol dimensió de l’espaitemps major o igual a cinc. «La raó per considerar dimensions espaitemps més altes és purament tècnica», assenyala Cano, «ja que ens permet reduir la complexitat matemàtica del problema». No obstant això, els investigadors asseguren que «les mateixes conclusions s’haurien d’aplicar al nostre espaitemps de quatre dimensions».
«La majoria de científics estan d’acord que les singularitats de la relativitat general s’han de resoldre en última instància, tot i que sabem molt poc sobre com es podria aconseguir aquest procés. El nostre treball proporciona el primer mecanisme per assolir-lo d’una manera robusta, encara que sota certes hipòtesis de simetria», explica Robie Hennigar (UB, ICCUB). «Encara no ha quedat clar com la natura impedeix la formació de singularitats a l’univers, però esperem que el nostre model ens ajudi a obtenir una millor comprensió d’aquest procés», precisa l’expert.
Explorar les descobertes en escenaris astrofísics
L’estudi també explora les propietats termodinàmiques d’aquests forats negres regulars i desvela que compleixen la primera llei de la termodinàmica. Les teories desenvolupades proporcionen un marc robust per comprendre la termodinàmica dels forats negres d’una manera completament universal i inequívoca. Aquesta consistència afegeix credibilitat i potencial aplicabilitat als resultats de la recerca.
Els investigadors planegen estendre el seu treball a l’espaitemps de quatre dimensions i explorar les implicacions dels seus descobriments en diversos escenaris astrofísics. També tenen com a objectiu investigar l’estabilitat i les possibles signatures observacionals d’aquests forats negres regulars.
«Aquestes teories no només prediuen forats negres sense singularitat, sinó que també ens permeten entendre com es formen aquests objectes i quin és el destí de la matèria que cau dins d’un forat negre. Ja estem treballant en aquestes preguntes i esperem trobar resultats realment emocionants», conclou Cano.