Los agujeros negros son cuerpos cósmicos intrigantes y ampliamente estudiados con fuerzas de marea extremadamente altas, de las cuales ni siquiera la luz puede escapar. Si bien muchos estudios predijeron la existencia de agujeros negros, que también se han detectado recientemente, muchas preguntas sobre estos cuerpos cósmicos siguen sin respuesta.
Investigadores de la Universidad de Leipzig han llevado a cabo recientemente un estudio que examina la polarización del vacío inducida por un campo escalar de carga cuántica cerca del horizonte interior de un agujero negro cargado. Los resultados de sus análisis, publicados en Physical Review Letters, sugieren que en el horizonte interior de un agujero negro cargado, la corriente cargada cuántica podría ser positiva o negativa.
“La teoría de la relatividad general une el espacio y el tiempo en el concepto de espacio-tiempo y describe la gravedad como una flexión de ese espacio-tiempo”, dijo a Phys.org Christiane Klein, una de las investigadoras que llevó a cabo el estudio. “Una de sus predicciones más destacadas son los agujeros negros (es decir, regiones del espacio-tiempo de las que ni siquiera la luz puede escapar). Si un agujero negro está cargado eléctricamente o gira, su interior tiene una característica interesante: dentro del agujero negro, hay un superficie con propiedades similares a las del horizonte de sucesos (es decir, el borde exterior) del agujero negro. Por lo tanto, se denomina horizonte interior”.
Esencialmente, hasta el horizonte interior de un agujero negro, el espacio-tiempo y todo lo que sucede dentro de él puede predecirse teóricamente basándose en el conocimiento del estado del universo en algún momento del pasado, lo que los físicos denominan “datos iniciales”. predecir el espacio-tiempo, conocido como determinismo, es una característica importante de las teorías físicas.
Sin embargo, según las predicciones teóricas, un observador que cruce el horizonte interior de un agujero negro podría pasar por alto la singularidad central del agujero negro, donde el espacio y el tiempo se curvan infinitamente y volver a salir a un universo diferente. Además, más allá del horizonte interior, el determinismo teóricamente colapsaría, lo que esencialmente significa que el viaje de un observador ya no estaría determinado por los llamados datos iniciales.
En su trabajo, titulado “Radiación gravitacional y colapso gravitacional”, el matemático británico Roger Penrose predijo que esto no sucedería, ya que habría restos del colapso de un agujero negro u otras pequeñas desviaciones de los datos iniciales del espacio-tiempo del agujero negro.
“Según Penrose, estas desviaciones se acumularían cerca del horizonte interior y doblarían el espacio-tiempo cerca del horizonte con tanta fuerza que cualquier observador que se acercara quedaría destruido, convirtiendo el horizonte interior en una singularidad”, dijo Klein. “Esta idea se llama la conjetura de censura cósmica fuerte. En la literatura, se han estudiado diferentes tipos de agujeros negros con horizontes interiores y diferentes perturbaciones de sus datos iniciales para probar esta conjetura y determinar la fuerza de la singularidad en el horizonte interior”.
Estudios recientes han encontrado que en los agujeros negros cargados dentro de un universo en expansión, la singularidad puede ser lo suficientemente débil como para cruzar. Estos hallazgos (Cardoso et al.; Dias et al.; Cardoso et al.) finalmente inspiraron a algunos de los investigadores del equipo a investigar qué sucedería si también tuvieran en cuenta la naturaleza cuántica de los campos gravitatorios y la materia.
“Por lo general, estas perturbaciones cuánticas son insignificantemente pequeñas”, dijo Klein. “Resultó que lo suficientemente cerca del horizonte interior, los efectos cuánticos dominan los efectos clásicos y son lo suficientemente fuertes como para convertir el horizonte interior en una fuerte singularidad. Esto demostró que los efectos cuánticos no deben descuidarse cerca de los horizontes interiores de los agujeros negros y nos motivó”. para tener una mirada más cercana a otros efectos cuánticos en esta región”.
Como un agujero negro cargado eléctricamente solo puede formarse a partir de materia cargada eléctricamente, Klein y sus colegas decidieron observar específicamente la materia cuántica cargada eléctricamente. Una de las principales firmas observables de este tipo de materia es la corriente eléctrica que produce. Por lo tanto, los investigadores intentaron determinar cómo se comportaría esta corriente en la proximidad del horizonte interior de un agujero negro.
“En estudios anteriores se argumentó que tales corrientes se deben principalmente a la creación espontánea de partículas con carga opuesta dentro del agujero negro que luego se aceleran en direcciones opuestas”, dijo Klein. “Esto tendría el efecto de descargar la región del agujero negro detrás del horizonte interior. Un objetivo era verificar si esta imagen intuitiva de partículas es correcta”.
En su artículo reciente, los investigadores consideraron un espacio-tiempo que describe un universo en expansión con un agujero negro cargado en su interior. Posteriormente, enmarcaron la teoría cuántica de campos de un campo escalar cargado dentro de este espacio-tiempo hipotético.
“Por el momento, ignoramos que la presencia del campo cuántico debería alterar el espacio-tiempo”, dijo Klein.
Usando su marco propuesto, el equipo pudo estudiar la corriente eléctrica de un campo cuántico en el ejemplo que consideraron. La configuración numérica que desarrollaron se basó en los resultados que recopilaron en el pasado.
“Descubrimos que la contribución dominante a la corriente en el horizonte interior es independiente del estado (es decir, las condiciones iniciales) del campo cuántico, siempre que sea físicamente razonable”, dijo Klein. “Elegimos un estado conveniente y derivamos una fórmula para la corriente utilizando las técnicas de la teoría cuántica de campos en espaciotiempos curvos. La fórmula debe evaluarse numéricamente para un conjunto de parámetros del espaciotiempo (masa y carga del agujero negro y una constante cosmológica). que describe la cantidad de expansión del universo) y el campo cuántico (masa y carga del campo)”.
Los elementos clave contenidos en la fórmula utilizada por Klein y sus colegas son los llamados “coeficientes de dispersión”. Estos son números que describen la medida en que las perturbaciones de campo se transmiten al agujero negro o se reflejan en el espacio. Para calcular estos coeficientes, Klein y sus colegas utilizaron métodos que desarrollaron en uno de sus estudios anteriores.
“La corriente siempre debe tener el mismo signo, pero encontramos que la contribución dominante a la corriente en el horizonte interior puede ser tanto positiva como negativa, según los parámetros del espacio-tiempo y el campo cuántico”, dijo Klein. “Cabe señalar que en la región de parámetros muy cercana a la carga máxima permitida del agujero negro (si la carga aumenta aún más, no hay más horizonte de eventos y la singularidad en el centro se vuelve ‘desnuda’) la corriente siempre tiende para disminuir la carga del horizonte interior. Esto asegura que su carga no pueda incrementarse más allá del máximo permitido”.
Los resultados de los análisis de los investigadores fueron bastante sorprendentes, ya que contradicen la predicción de la imagen de las partículas. En contraste con lo que esperaban, sus resultados predicen que, bajo ciertas circunstancias, la carga de un agujero negro dentro del horizonte interior puede aumentar por efectos cuánticos.
“Aunque nuestros resultados numéricos no pueden cubrir el espacio-tiempo realista y los parámetros del campo cuántico, nuestro trabajo demuestra que la imagen de las partículas es insuficiente para capturar completamente los efectos cuánticos dentro de los agujeros negros”, dijo Klein.
Además de contradecir las predicciones de imágenes de partículas, los resultados recopilados por Klein y sus colegas podrían arrojar más luz sobre hallazgos bien establecidos relacionados con el horizonte de eventos. De hecho, su trabajo sugiere que los efectos cuánticos pueden comportarse de manera bastante diferente en la proximidad del horizonte interior de un agujero negro que en el horizonte de eventos, donde se espera que disminuyan la carga de un agujero negro. Además, los resultados podrían inspirar nuevos estudios que investiguen efectos cuánticos similares en entornos más realistas.
“Uno espera que los agujeros negros realistas tengan como máximo una carga eléctrica insignificantemente pequeña, pero un momento angular significativo (es decir, rotación)”, dijo Klein. “De hecho, uno podría considerar los agujeros negros cargados como meros modelos de juguete para rotar: comparten muchas características, como la presencia de un horizonte interior, pero los agujeros negros cargados son mucho más fáciles de manejar matemáticamente. Una futura línea de investigación estamos Actualmente, lo que buscamos es la extensión de nuestros resultados a los agujeros negros en rotación. Sería interesante probar si los efectos cuánticos pueden aumentar la rotación del agujero negro cerca de su horizonte interior en lugar de disminuirla, como cabría esperar ingenuamente”.
