A la caza de agujeros blancos
Los agujeros blancos se caracterizan por expulsar materia en vez de tragarla, a diferencia de los negros. ¿Podrían estar detrás de parte del origen del universo?
La idea de sacar algo de la nada es un efecto clásico de los ilusionistas. Estos muestran su sombrero vacío, meten la mano y extraen de allí un conejo, una paloma o un ramo de flores. Por muy habilidoso que sea el mago, por muy increíble que sea el efecto, todos sabemos que hay truco, pero no siempre es así. En el universo es posible que existan unas colosales chisteras mágicas de las que, muy de vez en cuando, parece como si surgiera materia y energía literalmente de la nada: estamos hablando de los agujeros blancos. “Si un agujero negro puede tragarse un Mercedes, el correspondiente blanco podría con toda certeza expulsar un coche idéntico”, explica Paul Halpern, físico de la Universidad de las Ciencias en Filadelfia (EE. UU.) y autor del libro The Cyclical Serpent. Prospects for an Ever-Repeating Universe (1995). Aunque, por desgracia, lo que realmente devora el primero es luz y polvo interestelar, así que eso es lo que debemos esperar que regurgite su reverso luminoso.
El origen de este extraño fenómeno está en la teoría de formación de un agujero negro formulada por el científico alemán Karl Schwarzschild en 1916, mientras luchaba en el frente ruso durante la Primera Guerra Mundial. Porque por paradójico que pueda parecer, el primero en encontrar una solución a las ecuaciones de la relatividad general –la teoría moderna que describe la gravedad– no fue su creador, Albert Einstein, sino este astrónomo seis años mayor, director del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, que murió de pénfigo ampolloso –una rara enfermedad de la piel– al poco de haber desarrollado el nuevo concepto. Su solución mostraba que una masa contenida en un punto no tiene exterior, pues provoca tal distorsión que el espacio se cierra en torno a ella y la aísla del resto del universo. Y esta escisión se produce a una distancia del punto central que solo depende de la masa concentrada allí, el llamado radio de Schwarzschild u horizonte de sucesos. Toda partícula que lo atraviesa jamás regresa.
Dicho así, queda bastante claro, pero a los físicos les costaba entender el significado físico de este límite: ¿se trata de una barrera tangible, real? Visto desde fuera, si lanzamos un objeto al agujero negro jamás lo veremos atravesar el horizonte de sucesos, pues el tiempo se va ralentizando a medida que se acerca a él y tardaría una eternidad en alcanzarlo. Sin embargo, desde el punto de vista del objeto no sucede nada extraordinario, ya que en cuestión de minutos atraviesa dicha frontera sin problemas; solo se dará cuenta de que lo ha hecho porque no puede salir.
Es más, al cruzar el horizonte, el tiempo y el espacio intercambian sus papeles: si en el exterior podemos movernos a cualquier lugar, pero siempre somos arrastrados hacia adelante en el tiempo a una velocidad de sesenta segundos por minuto, en el interior nos desplazamos –dentro de ciertos límites– por el tiempo, aunque nos dirigiremos inexorablemente hacia la singularidad central.
Ahora bien, si se mira con cuidado la solución de Schwarzschild, descubrimos que.... ¡no es una, sino dos! Las ecuaciones que describen el colapso definitivo de un cuerpo celeste en un agujero negro pueden leerse al revés, como una expansión hacia el exterior de un objeto a partir de una singularidad. O, lo que es lo mismo, un agujero blanco.
Tuvimos que esperar hasta mediados de la década de los cincuenta para que se desarrollara una forma de visualizar y comprender este galimatías. Fue Martin Kruskal, un especialista en física de plasma de la Universidad de Princeton (EE: UU.) –en aquella época muy interesado por la relatividad general–, quien dio con un sistema de coordenadas para describir la estructura de los agujeros negros mediante un solo modelo de ecuaciones, que unía el espacio-tiempo plano del exterior –y alejado del agujero– con el extremadamente curvo del interior. Lo más llamativo era que no había asomo de singularidad en el horizonte de Schwarzschild.
Kruskal tuvo la brillante idea de describir los fenómenos desde la perspectiva de un rayo de luz lanzado hacia un agujero negro, aunque nunca se tomó la molestia de publicarla. Solo John Archibald Wheeler, el físico teórico estadounidense que bautizó como tales a los agujeros negros, se dio cuenta de la importancia de este trabajo. Wheeler escribió un artículo con los cálculos, puso el nombre de Kruskal en él y lo publicó en 1960 en la revista Physical Review. Tiempo más tarde, el inglés Roger Penrose perfeccionó la representación de Kruskal y la convirtió en un diagrama. De este modo, todos están contentos: para los matemáticos, la clave de la comprensión de estos objetos es la métrica de Kruskal; y para los físicos, la idea esencial la proporciona la versión gráfica conocida como diagrama de Penrose.
¿Qué deducimos de todo ello? Que los agujeros blancos son las imágenes especulares de los agujeros negros. Si uno hace una cosa, el otro hace justo lo contrario e invertido en el tiempo. Así, mientras que el horizonte de sucesos de un agujero negro es un lugar del que no se puede salir, al antihorizonte de uno blanco no se puede entrar. Si el primero se traga todo, su hipotética contrapartida lo expulsa.
No hay que ser muy perspicaz para darse cuenta de que el big bang tiene mucha pinta de agujero blanco: toda la materia y energía que existe en la actualidad se creó en esa megaexplosión repentina. “Es extraordinario comprobar cuánto se parecería la película del gran estallido yendo hacia atrás al colapso gravitatorio instantáneo de una bola de fuego”, dice Halpern. O a la inversa, si rebobináramos la película que muestra la destrucción de la energía cayendo en la singularidad central de un agujero negro, nos parecería estar asistiendo al momento en que nació el universo.
En 1965, el soviético Igor Novikov y el israelí Yuval Ne’eman desarrollaron, de modo independiente, la primera teoría medianamente detallada sobre el origen de los agujeros blancos, bautizados por Novikov como núcleos rezagados. Según ambos físicos, la inmensa mayoría del universo surgió a partir del big bang, pero con el paso del tiempo han seguido apareciendo fragmentos de considerable tamaño provenientes de las regiones rezagadas del estallido primigenio.
Con esta idea entre las manos, Alon Retter y Shlomo Heller sugerían en 2012 en la revista New Astronomy que el cosmos nació en realidad de un agujero blanco, al que llamaron small bang, y que se trata de un fenómeno espontáneo: toda la materia se expulsa de una sola vez. Por lo tanto, y a diferencia de los negros, solo pueden detectarse alrededor del evento en sí. ¿Estarían los estallidos de rayos gamma (GRB, por sus siglas en inglés) asociados con estallidos extremadamente energéticos en galaxias distantes, es decir, agujeros blancos? La idea no es descabellada, ya que los GRB figuran como los sucesos explosivos más luminosos del cosmos.
Lo cierto es que los llevan buscando desde hace ya bastantes años. Cuando en los setenta se obtuvo la primera prueba indirecta de la existencia de los agujeros negros, se redoblaron los esfuerzos por encontrar a sus antagonistas. Y en este contexto aparecieron los cuásares, unos objetos muy alejados –y, por tanto, situados en la época que el universo era joven– que emiten grandes cantidades de energía de forma continuada. Bastantes pensaron que por fin tenían la prueba concluyente, pero un jarro de agua fría apagó sus ilusiones.
En efecto, Douglas Eardley, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), detectó en 1974 que las soluciones de Novikov y Ne’eman eran muy inestables y se desintegrarían casi de inmediato. La causa es muy sencilla: el agujero blanco moriría sepultado por las capas de materia y energía acumuladas a su alrededor.
Imaginemos un agujero blanco de Schwarzschild, con una singularidad central de donde brotan materia y energía, que a su vez está rodeada por un antihorizonte. Pero dicha emisión energética no escapa hacia el espacio, sino que se va acumulando en la franja exterior del antihorizonte. Así, capa tras capa, tendremos un agujero blanco envuelto por un densa pantalla protectora de energía, que Eardly denominó sábana azul.
Siguiendo las reglas de la relatividad general, la pared ultraenergética hace que esa región del espacio se deforme bruscamente y surja el horizonte de sucesos de un verdadero agujero negro. Según Nick Herbert, de la Universidad Stanford (EE. UU.), “a los universos les gusta tener contenidas sus propias dosis letales de luz y de materia para formar sábanas azules, que asfixian en su cuna a los agujeros blancos recién nacidos”. Según muestran los cálculos, este proceso de asfixia depende de la masa: para uno equivalente a diez soles, la conversión se verificaría en menos de una milésima de segundo; para otro con una masa de un millón de soles, en poco más de un minuto.
¿Así que no hay agujeros blancos en todo el universo? El físico teórico italiano Carlo Rovelli –uno de los fundadores de la gravedad cuántica de bucles, la idea rival a la teoría de cuerdas y actualmente profesor de la Universidad de Aix-Marsella (Francia)– cree que no está todo perdido. Aplicando las reglas de la mecánica cuántica al mundo de los agujeros blancos –como hizo Stephen Hawking con sus réplicas oscuras–, Rovelli sostiene que los agujeros negros se blanquean tras experimentar una transición cuántica. Y la materia, al caer sobre ellos, rebota.
Luego debe haber un momento en que el horizonte de sucesos cambia a antihorizonte. Y es aquí donde la teoría cuántica viene a echar una mano, gracias a un fenómeno bien conocido y no por ello menos misterioso: el efecto túnel. Sin él es imposible entender la desintegración radiactiva, cuando una partícula atrapada en el núcleo de un átomo inestable consigue vencer la barrera que le impide salir al exterior. Las leyes de la física clásica lo prohíben, pues no tiene la energía suficiente para superar las ligaduras a las que está sometido.
En el caso de los agujeros negros, el hecho de que experimenten la llamada evaporación Hawking –según la cual, y debido a efectos cuánticos, se evaporan de forma lenta hasta desaparecer– es lo que permite que se produzca un peculiar efecto túnel. Para Rovelli, justo cuando el agujero negro ha menguado hasta un punto en el que el espacio–tiempo ya no puede contraerse más, se transforma en uno blanco.
Si es así, ¿dónde los encontraríamos? Pues podrían estar detrás de la misteriosa materia oscura del universo, solo detectada hasta la fecha por sus efectos gravitatorios indirectos. El físico italiano ha calculado que solamente se necesita un minúsculo agujero blanco por cada 10.000 kilómetros cúbicos, mucho más pequeño que un protón y con una masa de aproximadamente una millonésima de gramo –“equivalente a la masa de un pelo humano de doce centímetros”– para dar cuenta de toda la materia oscura que se encuentra en el entorno galáctico del Sol. Estos nanoagujeros blancos no emitirían radiación, y como son infinitamente pequeños, serían invisibles, como la materia oscura. Si un protón impactara con uno, simplemente rebotaría. “No pueden tragar nada”, resume Rovelli.
Y si ya la idea de la existencia de estas entidades ultramicroscópicas no fuera suficientemente extravagante, Rovelli sugiere –agárrate a la silla– que algunos agujeros blancos podrían ser anteriores al big bang. No solo eso, sino que estos objetos llegados de un universo previo podrían ayudar a explicar por qué el tiempo fluye hacia adelante en el nuestro.
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