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Tres enigmas cósmicos,
una respuesta audaz
NewScientist.com
El concepto de los agujeros negros introduce ciertas paradojas físicas como la detención del tiempo y la pérdida de información que no tienen hasta hoy una explicación convincente. En este sentido, la idea que propone la existencia de “estrellas de energía oscura” en lugar de los famosos agujeros negros, evitaría tener que lidiar con estas incómodas dificultades, a la vez que explicaría la energía y la materia oscuras del Universo.
a energía oscura y la materia oscura, dos de los misterios más grandes a los que se enfrentan los físicos, podrían ser las dos caras de una misma moneda. Un nuevo tipo de estrella, todavía sin descubrir, podría explicar ambos fenómenos y, a su vez, eliminar a los agujeros negros del léxico de la cosmología.

La audaz idea proviene de George Chapline, un físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, y el Premio Nóbel Robert Laughlin de la Universidad de Stanford y sus colegas. En 2006, durante una reunión científica celebrada en Santa Bárbara (California) para discutir diversos temas relacionados con la gravedad, Chapline sugirió que los objetos que hasta ahora se consideraban como agujeros negros, podrían ser en realidad estrellas muertas formadas a partir de un oscuro fenómeno cuántico. Estas estrellas podrían explicar tanto a la energía oscura como a la materia oscura.

Esta radical propuesta evitaría algunos problemas fundamentales planteados por la existencia de los agujeros negros. Uno de estos problemas surge de la idea de que una vez que la materia atraviesa el “horizonte de sucesos” de un agujero negro –la superficie más allá de la cual ni siquiera la luz puede escapar– será destruida por la “singularidad” del espacio-tiempo en el centro del agujero negro. El hecho de que la información sobre la materia se pierda para siempre, entra en conflicto con las leyes de la mecánica cuántica, las cuales establecen que la información nunca puede desaparecer del Universo.

Otro problema es que la luz de un objeto que cae en un agujero negro se “estira” tan dramáticamente por la enorme gravedad que impera allí, que los observadores alejados verán al tiempo congelarse: el objeto parecerá detenido para siempre en el horizonte de sucesos. Esta congelación del tiempo también viola la mecánica cuántica. “Por algún tiempo la gente ha estado incómoda con estos problemas, aunque confiaban en que algún día los iban a resolver", dice Chapline. “Pero eso no ha ocurrido y estoy seguro de que cuando los historiadores miren hacia atrás, se preguntarán por qué la gente no cuestionó estas contradicciones”.

Mientras buscaban formas de evitar estas paradojas físicas, Chapline y Laughlin encontraron algunas respuestas en un fenómeno sin relación: el bizarro comportamiento de los cristales superconductores cuando éstos experimentan algo llamado “transición de fase cuántica”. Se predice que durante esta transición, el spin de los electrones en los cristales fluctúe tremendamente, pero esto no está corroborado por las observaciones. En lugar de ello, las fluctuaciones parecen frenarse, e incluso detenerse, como si el propio tiempo se hubiera frenado.

“Fue cuando tuvimos nuestra epifanía”, dice Chapline. Él y Laughlin se dieron cuenta de que si una transición de fase cuántica ocurría en la superficie de una estrella, frenaría el tiempo y la superficie se comportaría exactamente como el horizonte de sucesos de un agujero negro. La mecánica cuántica no sería violada, ya que en este escenario el tiempo nunca se detendría completamente. “Empezamos con efectos realmente observados en el laboratorio, lo cual –pienso– le da más credibilidad (a nuestra propuesta) que la que tienen los agujeros negros”, dice Chapline.

Con esta idea en mente, ellos –junto con Emil Mottola del Laboratorio Nacional Los Álamos en Nuevo México, Pawel Mazur de la Universidad de Carolina del Sur en Columbia y otros colegas– analizaron el colapso de estrellas masivas en una forma que se evitaba incurrir en violaciones de la mecánica cuántica. En efecto, en lugar de agujeros negros su análisis predice una transición de fase que crea una delgada cáscara cuántica crítica. El tamaño de esta cáscara está determinado por la masa de la estrella y, crucialmente, no contiene una singularidad del espacio-tiempo. En lugar de ello, la cáscara contiene vacío, exactamente como el vacío del espacio libre que contiene su propia energía. A medida que la masa de la estrella colapsa a través de la cáscara, se convierte a energía que contribuye a la energía del vacío.
Agujero Negro: efecto “lente gravitatoria”
La imagen muestra una simulación computacional del efecto “lente gravitatoria” producido por un agujero negro aislado. (Ute Kraus, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Golm, and Theoretische Astrophysik, Universität Tübingen)
Los cálculos del equipo demuestran que la energía del vacío en el interior de la cáscara tiene un poderoso efecto antigravitatorio, exactamente como la energía oscura que parece estar provocando que el Universo se expanda a ritmo creciente. Chapline ha denominado a los objetos producidos de esta manera como “estrellas de energía oscura”.

Se podría pensar que este efecto antigravitatorio haría explotar a la cáscara de la estrella, pero cálculos realizados por Francisco Lobo de la Universidad de Lisboa (Portugal) han demostrado que las estrellas de energía oscura estables pueden existir para un número de modelos diferentes de energía del vacío. Y es más, las cáscaras de estas estrellas estables estarían ubicadas cerca de la región donde se formaría el horizonte de sucesos de un agujero negro.

“Las estrellas de energía oscura y los agujeros negros tendrían idénticas geometrías externas, por lo que será muy difícil diferenciarlos”, añade Lobo. “Todas las observaciones usadas como evidencia de agujeros negros –la atracción gravitatoria que éstos ejercen sobre otros objetos y la formación de discos de acreción de materia alrededor de ellos– también podrían servir como prueba de las estrellas energía oscura”.

Eso no implica de que sean totalmente indistinguibles. Mientras que los agujeros negros supuestamente tragan todo lo que cruza el horizonte de sucesos, las cáscaras cuánticas críticas son una vía de doble sentido, dice Chapline. La materia que cruza de cáscara cuántica se desintegra, pero la antigravedad debería devolver algunos restos al exterior. Además, las partículas quark que crucen la cáscara deberían desintegrarse liberando positrones y rayos gamma, los cuales deberían emerger de la superficie. Esto podría explicar el exceso de positrones que se observa en el centro de nuestra galaxia, en la región donde hasta ahora se estima que existe un agujero negro supermasivo. Los modelos convencionales no pueden explicar adecuadamente estos positrones, dice Chapline.

Él y sus colegas también han calculado el espectro de energía de los rayos gamma liberados. “Es muy similar al espectro observado en los estallidos de rayos gamma”, dice Chapline. El equipo también predice que la materia que caiga en una estrella de energía oscura calentará a la misma, haciéndola emitir radiación infrarroja. “A medida que los telescopios mejoren en la próxima década, seremos capaces de buscar esta radiación” dice Chapline. “Es una teoría que debería ser demostrada de alguna forma en cinco o diez años”.

El experto en agujeros negros Marek Abramowicz, de la Universidad de Gotemburgo (Suecia) acepta que la idea de las estrellas de energía oscura merece ser considerada. “Realmente no tenemos pruebas de que existen los agujeros negros”, dice. “Es una alternativa muy interesante”.

La consecuencia más intrigante de esta idea tiene que ver con la intensidad de la energía del vacío en el interior de la estrella de energía oscura. Esta energía se relaciona con el tamaño de la estrella, y para una estrella tan grande como nuestro Universo la energía del vacío calculada dentro de su cáscara cuántica coincide con el valor de la energía oscura estimado hoy en el Universo. “Es como si estuviéramos viviendo dentro de una estrella de energía oscura gigante”, dice Chapline. Todavía no hay, por supuesto, ninguna explicación de cómo podría haber surgido una estrella del tamaño del Universo.

En el otro extremo de la escala de tamaños, pequeñas versiones de estas estrellas podrían explicar la materia oscura. “El Big Bang habría creado a partir del vacío una enorme cantidad de pequeñas estrellas de energía oscura”, dice Chapline, quien trabajó en esta idea con Mazur. “Nuestro Universo está impregnado por la energía oscura, con diminutas estrellas de energía oscura desparramadas por todos lados”. Estas pequeñas estrellas de energía oscura se comportarían como partículas de materia oscura: su gravedad atraería la materia de las cercanías, pero aparte de eso serían invisibles.

Abramowicz dice que sabemos muy poco sobre la energía oscura y la materia oscura como para juzgar la idea de Chapline y Laughlin, pero por lo pronto no la descarta. “Al menos podemos decir que la idea no es imposible”.
Fuente: Zeeya Merali / NewScientist.com
Versión en español: Wilfredo Orozco
 
Mendoza, Argentina, 19 de Setiembre de 2008.
 
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