¿De qué color era el agujero blanco de Santiago?


Hoy nos ha dado por los agujeros blancos. Sí, esos bichos de los que saldrían todas las cosas y no podríamos entrar ni aún moviéndonos a la velocidad de la luz.

Cuando se estudia agujeros negros, casi de forma instintiva, se piensa en una imagen invertida de los mismos. Se puede decir que el concepto de agujero blanco, ‘te lo pide el cuerpo’.

¿Pueden darse estos objetos en nuestro universo? ¿Qué características tienen? ¿Sería posible su existencia según las leyes físicas conocidas?

Vamos a intentar responder a estas preguntas y a dar una sorpresa, o eso espero, sobre tales agujeros blancos.

¿De dónde sale este concepto?

Hay varias formas de llegar al concepto de agujero blanco. Como hemos comentado en la introducción a la entrada casi que es un concepto que viene de forma natural con el de agujero negro. Si de un agujero negro no puede salir nada, pues imaginemos un agujero al que no se pueda entrar y por tanto se comporte de manera invertida en el tiempo.

Pero seamos un poco más formales. Bajo el prisma de la Relatividad General no hay ningún problema para definir agujeros blancos (al menos, en principio). Las leyes de la Relatividad General son simétricas bajo inversión temporal, por lo tanto, si los agujeros negros son admitidos, los blancos también deberían de serlo.

Afinemos un poco más,  cuando uno estudia agujeros negros acostumbra a usar lo que se conoce como diagramas de Penrose. Estos diagramas son una representación del espaciotiempo completo y son magnífico para estudiar las relaciones causales en el mismo. Como hemos comentado ya, según la Relatividad General, las leyes de la física son invariantes para cualquier observador, lo que implica que podemos elegir el sistema de coordenadas que queramos para describir el sistema bajo estudio.  Para los agujeros negros, unas coordenadas muy convenientes para su estudio son las coordenadas de Kruskal. Al emplear dichas coordenadas el espaciotiempo con un agujero negro tiene la forma:

La línea azul representa la singularidad del interior del agujero.
La línea rosa representa el horizonte de sucesos. Forma 45º en el diagrama lo que implica que para permanecer ahí hay que moverse a c.
Notemos que si algo está en el interior del agujero, más allá del horizonte, no puede salir sino que está obligado a dirigirse a la singularidad.

Sin embargo, estas coordenadas deparan una sorpresa. En realidad describen algo más que el agujero negro. En realidad, el espaciotiempo que soporta estas coordenadas de forma natural es el siguiente:

Si nos fijamos, aquí hay una simetría completa. Las líneas rojas representan un horizonte. Sin embargo, si prestamos atención, vemos que de la singularidad inferior todo sale y nada puede entrar, porque para entrar uno se debería de mover a velocidades superiores a la velocidad de la luz.

¿Se da esto en el universo?

La clave es que el espaciotiempo representado en los diagramas anteriores son soluciones llamadas de vacío. No hay materia en dicho espaciotiempo y lo que describen son un agujero negro y un agujero blanco eternos. Han estado ahí y seguirán estando, por los jamás de los jamases.

Para obtener un agujero negro uno parte de una estrella que colapsa bajo su peso. Esa es la única forma de obtener agujeros, colapsando materia o energía. Esto implica que el espaciotiempo inicial no es vacío, contiene materia/energía, por ejemplo una estrella.

Así pues, en el sitio donde debería de estar el agujero blanco, en la solución de la relatividad general que describe este proces, hay materia. Por lo tanto la solución es muy diferente. Visualmente en un diagrama de Penrose para las coordenadas de Kruskal:

Por lo que la solución de agujero blanco no aparece, solo tenemos acceso al agujero negro.

Los problemas de los agujeros blancos

Asumamos por un momento que existen esos agujeros blancos, entonces tendríamos varios problemas:

  • Tendríamos que explicar cómo es eso de que salga materia de un agujero blanco, ¿de dónde viene esa materia?. En principio, esto no sería un problema grave, justo eso es lo que pensamos que pasó en el universo, de repente la materia/energía fue creada. Podríamos asumir lo mismo para los agujeros blancos.
  • Pero resulta que nuestro universo tiene la manía de contener energía y materia. Hay indicios, según los trabajos de Eardley, que indican que los agujeros blancos serían inestables. Si acretan materia se convertirían en agujeros negros antes de poder explotar en un flujo de partículas.
  • Se pierde la capacidad de predecir. Cuando uno tiene una estrella puede predecir si se formará un agujero negro o no, y una vez formado este agujero se puede predecir como emitirá radiación Hawking. En el caso de un agujero blanco la cosa no funciona, el proceso sería inverso, es decir, se formaría una singularidad y de ahí empezarían a emitirse cosas, pero no podríamos predecir esa radiación bajo ningún argumento físico.

Con la cuántica de por medio

Hasta este momento todo lo que hablamos ha sido desde la perspectiva de la física clásica, no hemos considerado efectos cuánticos. La cosa con la cuántica es también controvertida por algunas razones:

  • La cuántica nos dice que en un proceso de colapso hay cierta probabilidad de formar un agujero negro. Hay muchos argumentos para justificar esto. Uno puede decir que dado que las leyes de la física han de ser invariantes bajo la transformación CPT (conjugación de carga, paridad, inversión temporal), y un agujero blanco justamente es el transformado CPT de un agujero negro. Por lo tanto los agujeros blancos estarían permitidos. Este es el argumento que pone, por decir uno, Witten en este artículo:  ON BLACK HOLES IN STRING THEORY.
  • Que existan agujeros negros pero no agujeros blancos implicaría una violación de la simetría CPT. Bueno, al menos de manera dura. ¿Qué quiere decir esto? La simetría CPT nos dice que materia y antimateria, para una determinada clase de partículas, tendrían la misma masa, el mismo espín y las cargas opuestas. Stephen Hawking estudió qué pasaría con un agujero negro que estuviera en equilibrio, es decir, que abosorbiera lo mismos que emitiera. Lo que encontró es que en esta situación un agujero negro sería indistinguible de un agujero blanco. (Black holes and Thermodynamics)

No podemos descartar la existencia de estos bichos raros, tendríamos que revisar algunas cuestiones de la física pero no sería mucho problema. De hecho, hay trabajos que indican que algunos procesos de muy alta energía en astrofísica (explosiones de rayos gamma, grandes explosiones de rayos X, etc) serían debido a los agujeros blancos. (White holes and high energy astrophysics).

Personalmente no creo que existan, pero uno nunca puede estar seguro.

No hay que ir tan lejos, mira tu fregadero

Si abres el grifo de tu fregadero no te resultará extraño que se forme lo que se denomina el salto circular.

Este es un interesantísimo fenómeno per se, pero a nosotros nos interesan sus características. Resumámoslas:

  1. En un fluido tenemos una velocidad privilegiada, la velocidad del sonido en dicho medio.
  2. En el salto circular tenemos que en la región interior del círculo el fluido se mueve a una velocidad superior a la del sonido en su seno. Fuera todo es subsónico.
  3. Esta característica hace que cualquier onda que se propage desde el exterior al círculo hacia el interior no puede penetrar en el mismo. Es dccir, se comporta como el horizonte de un agujero blanco.

Es decir, tenemos un análogo a un agujero blanco en un sistema muy simple. Pero la sorpresa no acaba aquí, esto ha sido verificado experimentalmente. Aquí dejamos el artículo donde encontraréis todos los detalles técnicos:

The circular jump as a hydrodynamic white hole

Pero pongamos unas imágenes:

En vez de agua se utiliza aceite de silicona debido a su alta viscosidad  y su baja tensión superficial (que asegura un flujo laminar, es decir, sin turbulencias).

Una vez formado el salto con una aguja vamos viendo lo que pasa poniéndola a distintas distancias del punto de impacto del fluido sobre la superficie. Lo que se ve, que es muy impresionante, es:

Si perturbamos el interior observamos como hay una salida de fluido.

Si nos acercamos al salto la perturbación se reduce.

Justo fuera del salto no ocurre absolutamente nada ya que nada puede entrar hacia el interior.

Lo que se ve en estas imágenes es que se forma un cono de Mach en el interior del círculo, lo que confirma que el fluido se mueve hacia afuera de forma supersónica.  Aquí dejamos fija la aguja y es el fluido el que se mueve, pero el efecto es el mismo que cuando un avión supera la velocidad del sonido en el aire:

Fuera no hay tal efecto y justo el borde del círculo actúa como horizonte del agujero blanco.

Estas analogías son muy útiles para el estudio de agujeros negros y blancos, de hecho se están empelando fluidos, sistemas ópticos, condensados de bose, etc, que en ciertas condiciones se comportan de forma análoga a agujeros negros/blancos y se encuentran cosas tales como la radiación de Hawking.

No sé si existirán los agujeros blancos, yo creo que no, pero seguro que aprendemos mucho estudiándolos.

Nos seguimos leyendo…

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11 Respuestas a “¿De qué color era el agujero blanco de Santiago?

  1. Emilio Correa Gonzalez

    Siendo la gravedad una fuerza únicamente atractiva, como es posible que se pueda dar una agujero blanco???

  2. Pingback: Gusanos entrelazados | Cuentos Cuánticos

  3. Un matiz, en el salto circular, si no lo entiendo mal, la velocidad privilegiada no es la del sonido, sino la de las olas de superficie. Estupendo post, estupendo Blog.

    • El tema es que dentro del círculo el fluido propiamente se mueve a mayor velocidad que el sonido dentro de dicho fluido. Es por eso que se forma un cono de Mach al poner la aguja. Y también por eso nada que esté en el exterior del salto puede entrar dentro, haciendo que el salto en si mismo sea un horizonte.

      Creo que esa explicación es adecuada, pero volveré a leer el artículo para asegurarme, ahora me has hecho dudar.

      Bendita duda. Muchas gracias.

  4. Pingback: Agujeros negros | Annotary

  5. Pingback: ¿De qué color era el agujero blan...

  6. Interesantisimo todo esto. Hay una pregunta que yo a veces me hago, no se si sera absurda: pudo ser el big bang un agujero blanco? Parece que no soy el unico que lo piensa…

    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269310003370

    http://www.cienciakanija.com/2008/02/04/los-agujeros-negros-podrian-albergar-sus-propios-universos/

  7. Pingback: ¿De qué color era el agujero blanco de Santiago? | Cuentos Cuánticos | Ciencia y Arte

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