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Cómo afecta la rotación a la dinámica de la materia alrededor de los agujeros negros

El proyecto REGMAT ha estudiado la interacción entre la materia y la rotación del espacio-tiempo gracias a nuevos métodos. Los resultados del proyecto no solo profundizan en nuestra comprensión de los agujeros negros, sino que, además, tienen implicaciones para la investigación sobre la termalización en teorías cuánticas fuertemente acopladas.

Espacio

Al rotar, incluso las estructuras mayores se deforman ligeramente. Por ejemplo, si observamos nuestro planeta, vemos que presenta un ensanchamiento ecuatorial, de modo que el diámetro polar es ligeramente más corto que el ecuatorial. Todo ello se debe a la fuerza ejercida por la rotación. Lo mismo sucede con los agujeros negros. Algunos de ellos giran y los efectos de esta rotación se pueden calcular. ¿O no? «Realmente, es bastante difícil», explica Jorge Rocha, coordinador del proyecto REGMAT (Rotational effects on strongly gravitating systems with matter) en la Universidad de Barcelona. «Al incluir la rotación en el espacio-tiempo, se pierde la simetría esférica y el problema se complica más porque hay más coordenadas implicadas. Además, los agujeros negros van acompañados de discos de acreción que introducen desviaciones respecto de las soluciones conocidas en el vacío. Después del descubrimiento, en 1915, de la solución más sencilla para agujeros negros, sin rotación, se tardó casi cincuenta años en obtener su equivalente con rotación. Con esta investigación, Rocha pretendía profundizar en nuestro conocimiento de la dinámica de los agujeros negros en presencia de materia y, en particular, de la relación entre la materia y la rotación del espacio-tiempo. Para ello, decidió tener en cuenta más dimensiones. «Con las direcciones espaciales adicionales, los espacio-tiempos pasan a describirse mediante varios momentos angulares. Las dificultades anteriores siguen estando ahí, pero existe una ventaja clave: cuando el número de direcciones espaciales es par, es posible considerar una clase de espacio-tiempos (con todos los momentos angulares iguales) que presentan un alto grado de simetría. Aunque no haya una simetría esférica completa, esto es suficiente para que el problema sea tratable». El proyecto también se benefició de la asunción de que la materia se comprimía en forma de superficies infinitamente delgadas. Esta idealización es favorable porque permite construir espacio-tiempos con materia con tan solo combinar geometrías en vacío conocidas previamente. La novedad del enfoque de Rocha reside en el uso de métodos (semi)analíticos para estudiar la gravedad en el régimen de campos intensos combinada con efectos cruciales debidos a la rotación. Por lo general, para tratar estos problemas se necesitan simulaciones numéricas exigentes. En dos años de investigación, Rocha logró determinar con precisión las anisotropías (presiones distintas procedentes de direcciones distintas) que la rotación del espacio-tiempo induce en la materia. Pero otro resultado importante afecta a la hipótesis de censura cósmica: «Este es un problema de la gravedad clásica vigente desde hace cuarenta y ocho años. En una versión muy simplificada, esta conjetura de Penrose plantea que no es posible destruir el horizonte de un agujero negro dejando atrás una singularidad visible. Mis investigaciones permitieron probar esta conjetura en un régimen totalmente no lineal y en situaciones menos simétricas que las contempladas anteriormente. También permitió examinar una enorme variedad de casos, cambiando la dimensionalidad del espacio-tiempo y el tipo de materia considerada. En todos los casos, se observó que la conjetura era robusta frente a todos los intentos de violación», explica. Los resultados del proyecto también podrían afectar a otros campos de investigación, en especial el equilibrado de plasmas anisotrópicos, gracias a la famosa correspondencia entre AdS/CFT. «Esto no parece relacionado en absoluto, pero esta correspondencia implica que la física gravitatoria clásica en espacio-tiempos con ciertas propiedades geométricas, llamada anti-de Sitter o AdS para abreviar, equivale exactamente a algunas teorías de gauge con acoplamiento fuerte que no incluyen ninguna interacción gravitatoria en absoluto», explica Rocha. Esto significa que la formación de agujeros negros en AdS corresponde a la teoría de campos cuánticos cuando se alcanza un estado térmico y, a su vez, que el método de REGMAT para estudiar el colapso gravitacional con rotación en AdS puede arrojar luz sobre el equilibrado de plasmas interactuantes fuertemente anisotrópicos. Se espera que esto permita reflejar aspectos importantes del plasma de quarks-gluones que se observa en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN o en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas. «Esta es una conexión que voy a estudiar», concluye Rocha.

Palabras clave

REGMAT, agujero negro, rotación, materia, espaciotiempo, gravedad, Penrose, AdS/CFT, plasma anisotrópico, CERN, colisionador

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