Quizás el descubrimiento científico más sorprendente de la última década es que el Universo está lleno de agujeros negros.

Se han detectado en una sorprendente variedad de tamaños: algunos con masas apenas un poco mayores que la del Sol, otros miles de millones de veces mayores. Y fueron detectados de varias maneras diferentes: mediante emisiones de radio de la materia que caía hacia el agujero; por su efecto sobre las estrellas que las orbitan; por ondas gravitacionales emitidas al fusionarse; y la distorsión extremadamente peculiar de la luz que causan (pensemos en el «anillo de Einstein» que se ve en las fotografías de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, que apareció en las portadas de los periódicos del mundo no hace mucho). .

El espacio que habitamos no es liso: está marcado, como un colador, por estos agujeros en el cielo. Las características físicas de todos los agujeros negros fueron predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein y están bien descritas por la teoría.

Todo lo que sabemos sobre estos extraños objetos encaja perfectamente con la teoría de Einstein hasta el momento. Pero hay dos preguntas clave que la teoría de Einstein no responde.

La primera: cuando la materia entra en el agujero, ¿adónde va después? La segunda: ¿cómo acaban los agujeros negros? Argumentos teóricos convincentes, comprendidos por primera vez por Stephen Hawking hace varias décadas, indican que en un futuro lejano, después de una vida que depende de su tamaño, un agujero negro se encoge (o, como dicen los físicos, se «evapora»), emitiendo radiación caliente, ahora conocida como radiación de Hawking.

Esto hace que el agujero se haga cada vez más pequeño, hasta volverse diminuto. ¿Pero qué pasa después? La razón por la que estas dos preguntas aún no han sido respondidas, y que la teoría de Einstein no proporciona una respuesta, es que ambas involucran aspectos cuánticos del espacio-tiempo.

En otras palabras, ambos implican gravedad cuántica. Y todavía no tenemos una teoría establecida de la gravedad cuántica.

Un intento de respuesta

Sin embargo, hay esperanza porque tenemos teorías provisionales. Estas teorías aún no están establecidas porque, hasta la fecha, no han sido respaldadas por experimentos u observaciones.

Pero están lo suficientemente desarrollados como para darnos respuestas provisionales a estas dos importantes preguntas. Y luego podemos utilizar estas teorías para hacer una suposición fundamentada sobre lo que está ocurriendo.

Indefinido

Probablemente la teoría más detallada y desarrollada del espacio-tiempo cuántico es la gravedad cuántica de bucles, o LQG, una teoría provisional de la gravedad cuántica que se ha ido desarrollando de manera constante desde finales de los años 1980.

Gracias a esta teoría surgió una interesante respuesta a estas preguntas. Esta respuesta viene dada por el siguiente escenario. El interior de un agujero negro evoluciona hasta llegar a una etapa en la que los efectos cuánticos comienzan a dominar.

Esto crea una poderosa fuerza repulsiva que invierte la dinámica del interior del agujero negro en colapso, provocando que «rebote». Después de esta fase cuántica, descrita por LQG, el espacio-tiempo dentro del agujero vuelve a estar gobernado por la teoría de Einstein, excepto que ahora el agujero negro se expande en lugar de contraerse.

De hecho, la teoría de Einstein predice la posibilidad de un agujero en expansión, de la misma manera que se predijeron los agujeros negros. Es una posibilidad que se conoce desde hace décadas; De hecho, es tan largo que esta región correspondiente del espacio-tiempo incluso tiene un nombre: se llama «agujero blanco».

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La misma idea, pero al revés.

El nombre refleja la idea de que un agujero blanco es, en cierto sentido, lo contrario de un agujero negro. Se puede pensar de la misma manera que una pelota que rebota hacia arriba sigue una trayectoria ascendente que es la inversa de la trayectoria descendente que tomó cuando la pelota cayó.

Un agujero blanco es una estructura espacio-temporal similar a un agujero negro, pero con el tiempo invertido. Dentro de un agujero negro, las cosas caen; Sin embargo, dentro de un agujero blanco, las cosas se mueven hacia afuera. Nada puede salir de un agujero negro; Asimismo, nada puede entrar en un agujero blanco.

Visto desde fuera, lo que ocurre es que al final de su evaporación, un agujero negro, que ahora es diminuto porque ha evaporado la mayor parte de su masa, muta en un diminuto agujero blanco. LQG indica que tales estructuras se vuelven casi estables gracias a los efectos cuánticos, por lo que pueden vivir durante mucho tiempo.

A los agujeros blancos a veces se les llama «restos» porque son lo que queda después de que un agujero negro se evapora. La transición del agujero negro al agujero blanco puede considerarse un «salto cuántico». Esto es similar al concepto de salto cuántico del físico danés Niels Bohr, en el que los electrones saltan de una órbita atómica a otra cuando cambian de energía.

Los saltos cuánticos hacen que los átomos emitan fotones y son los que provocan la emisión de luz que nos permite ver los objetos. Pero LQG predice el tamaño de estos pequeños restos. De esto se sigue una consecuencia física característica: la cuantificación de la geometría. En particular, LQG predice que el área de cualquier superficie solo puede tener ciertos valores discretos.

El área del horizonte del remanente del agujero blanco debe estar dada por el valor más pequeño no evanescente. Esto corresponde a un agujero blanco con una masa de una fracción de microgramo: aproximadamente el peso de un cabello humano.

Este escenario responde a las dos preguntas planteadas anteriormente. Lo que sucede al final de la evaporación es que un agujero negro cuántico salta a un agujero blanco pequeño y de larga vida. Y la materia que cae en un agujero negro puede salir más tarde de este agujero blanco.

La mayor parte de la energía de la materia ya habrá sido irradiada por la radiación de Hawking, una radiación de baja energía emitida por el agujero negro debido a efectos cuánticos que hacen que se evapore. Lo que sale del agujero blanco no es la energía de la materia que cayó en él, sino radiación residual de baja energía, que, sin embargo, contiene toda la información residual sobre la materia que cae.

Una posibilidad intrigante que abre este escenario es que la misteriosa materia oscura cuyos efectos ven los astrónomos en el cielo podría en realidad estar formada, total o parcialmente, por pequeños agujeros blancos generados por antiguos agujeros negros evaporados. Podrían haber sido producidos en las primeras etapas del Universo, posiblemente en la fase anterior al Big Bang, que también parece ser predicha por LQG.

Esta es una posible solución atractiva al misterio de la naturaleza de la materia oscura, porque proporciona una comprensión de la materia oscura que se basa únicamente en la Relatividad General y la mecánica cuántica, ambos aspectos bien establecidos de la naturaleza. Tampoco añade campos de partículas ad hoc ni nuevas ecuaciones dinámicas, como hacen la mayoría de las hipótesis alternativas provisionales sobre la materia oscura.

Próximos pasos

Entonces, ¿podemos detectar agujeros blancos? La detección directa de un agujero blanco sería difícil porque estos pequeños objetos interactúan con el espacio y la materia que los rodea casi exclusivamente a través de la gravedad, que es muy débil.

No es fácil detectar un mechón de cabello utilizando únicamente su atracción gravitacional. Pero puede que no siga siendo imposible a medida que avanza la tecnología. Ya se han propuesto ideas sobre cómo hacer esto utilizando detectores basados ​​en tecnología cuántica.

Si la materia oscura está formada por restos de agujeros blancos, una simple estimación muestra que algunos de estos objetos podrían volar a través de un espacio del tamaño de una habitación grande todos los días. Por ahora, necesitamos estudiar este escenario y su compatibilidad con lo que sabemos sobre el Universo, con la esperanza de que la tecnología nos ayude a detectar estos objetos directamente.

Sin embargo, sorprende que este escenario no se haya considerado antes. Una razón puede atribuirse a una hipótesis adoptada por muchos teóricos formados en la teoría de cuerdas: una versión sólida de la llamada hipótesis «holográfica».

Según esta hipótesis, la información dentro de un pequeño agujero negro es necesariamente pequeña, lo que contradice la idea anterior. La hipótesis se basa en la idea de los agujeros negros eternos: en términos técnicos, la idea de que el horizonte de un agujero negro es necesariamente un horizonte de «sucesos» (un horizonte de «sucesos» es, por definición, un horizonte eterno). Si el horizonte es eterno, lo que sucede en el interior se pierde efectivamente para siempre, y un agujero negro se caracteriza exclusivamente por lo que se puede ver desde el exterior.

Pero los fenómenos gravitacionales cuánticos interrumpen el horizonte cuando éste se vuelve pequeño, impidiéndole ser eterno. Por tanto, el horizonte de un agujero negro no llega a ser un horizonte de «sucesos». La información que contiene puede ser grande, incluso cuando el horizonte es pequeño, y puede recuperarse después de la fase de agujero negro, durante la fase de agujero blanco.

Curiosamente, cuando se estudiaban teóricamente los agujeros negros y se ignoraban sus propiedades cuánticas, se consideraba que el horizonte eterno era su propiedad definitoria. Ahora que entendemos los agujeros negros como objetos reales en el cielo y hemos investigado sus propiedades cuánticas, nos damos cuenta de que la idea de que su horizonte debe ser eterno era sólo una idealización.

La realidad es más sutil. Quizás nada sea eterno, ni siquiera el horizonte de un agujero negro.

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