Un estudio teórico muestra que los agujeros negros de Kerr podrían amplificar nueva física.

22 de septiembre de 2023 característica

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corregido por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los agujeros negros son regiones en el espacio caracterizadas por una gravedad extremadamente fuerte, que impide que toda la materia y las ondas electromagnéticas escapen de ellos. Estos fascinantes cuerpos cósmicos han sido el foco de innumerables estudios de investigación, pero sus matices físicos intrincados todavía no han sido completamente descubiertos. 

Investigadores de la Universidad de California-Santa Bárbara, la Universidad de Varsovia y la Universidad de Cambridge llevaron a cabo recientemente un estudio teórico centrado en una clase de agujeros negros conocidos como agujeros negros extremal Kerr, que son agujeros negros estacionarios sin carga con un horizonte interno y externo coincidente. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, muestra que las características únicas de estos agujeros negros podrían convertirlos en "amplificadores" ideales de una nueva física desconocida.

"Esta investigación tiene su origen en un proyecto anterior que comenzó durante mi visita a la UC Santa Bárbara", dijo Maciej Kolanowski, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. "Comencé a discutir sobre agujeros negros muy fríos (llamados extremal) con Gary Horowitz (UCSB) y Jorge Santos (en Cambridge). Pronto nos dimos cuenta de que, de hecho, los agujeros negros extremales genéricos se ven muy diferentes de lo que se creía anteriormente".

En su artículo anterior, Kolanowski, Horowitz y Santos demostraron que en presencia de una constante cosmológica, los agujeros negros extremales son afectados por fuerzas de marea infinitas. Esto significa que si los seres vivos cayeran en el agujero negro, serían aplastados por la gravedad antes de acercarse remotamente al centro del agujero negro. Sin embargo, el equipo demostró que si la constante cosmológica es cero, como se asume en muchos escenarios astrofísicos, este efecto desaparece.

"La chispa de este artículo actual surgió durante la 'Gravity Lunch' semanal de UC Santa Bárbara", explicó Grant Remmen. "Después de una charla sobre el trabajo de Horowitz en singularidades de los horizontes de agujeros negros, le pregunté si otros efectos podrían dar lugar a tales fenómenos. Mi trabajo anterior en teorías de campos efectivas (EFT por sus siglas en inglés), en particular, el desarrollo de modelos de física con correcciones cuánticas, me dio una idea. Hablando con Horowitz, me pregunté si los términos de derivadas superiores en una EFT gravitacional (es decir, correcciones cuánticas a las ecuaciones de Einstein) podrían conducir a singularidades en los horizontes de agujeros negros extremales".

Después de que Remmen compartiera su idea con Horowitz, comenzaron una colaboración con Kolanowski y Santos, con el objetivo de probar esta idea mediante una serie de cálculos. En sus cálculos, los investigadores consideraron la gravedad de Einstein acoplada a sus principales correcciones cuánticas.

"Las ecuaciones de Einstein son lineales en el tensor de Riemann, un objeto matemático que describe la curvatura del espacio-tiempo", explicó Remmen. "En tres dimensiones espaciales, las correcciones principales a Einstein son términos que son cúbicos (tercer poder) y cuárticos (cuarto poder) en la curvatura. Debido a que la curvatura es una medida de las derivadas de la geometría del espacio-tiempo, esos términos se llaman 'términos de derivadas superiores'. Calculamos el efecto de estos términos de derivadas superiores en agujeros negros que giran rápidamente".

Los agujeros negros extremales giran a una velocidad máxima posible que corresponde a que el horizonte se mueve a la velocidad de la luz. Los cálculos de los investigadores mostraron que las correcciones de EFT de derivadas superiores de los agujeros negros extremales hacen que sus horizontes sean singulares, con fuerzas de marea infinitas. Esto contrasta en gran medida con los agujeros negros típicos, que tienen fuerzas de marea finitas que solo se vuelven infinitas en el centro del agujero negro.

"Sorprendentemente, las correcciones de EFT hacen que la singularidad salte desde el centro del agujero negro hasta el horizonte, donde no te esperarías que estuviera", dijo Remmen. "El valor del coeficiente delante de un término dado de EFT, los 'ajustes de la perilla' en las leyes de la física, están dictados por los acoplamientos y tipos de partículas que están presentes en altas energías y distancias cortas. En este sentido, los coeficientes de EFT son sensibles a nueva física".

Kolanowski, Horowitz, Remmen y Santos también encontraron que la fuerza de la divergencia en las mareas en el horizonte de los agujeros negros extremales, y la posible aparición de una singularidad de marea, dependen en gran medida de los coeficientes de EFT. Los resultados de sus cálculos sugieren que la geometría del espacio-tiempo cerca del horizonte de estos agujeros negros es sensible a una nueva física a energías más altas.

'Interestingly, this unexpected singularity is present for the values of these EFT coefficients generated by the Standard Model of particle physics,' Remmen said.

'Our results are surprising, since they imply that the low-energy description of physics can break down in a situation where you wouldn't expect that to happen. In physics, there's usually a sense of 'decoupling' between different distance scales. For example, you don't need to know the details of water molecules to describe waves using hydrodynamics. Yet for rapidly spinning black holes, that's precisely what happens: the low-energy EFT breaks down at the horizon.'

Overall, the calculations carried out by this team of researchers hint at the promise of extremal Kerr black holes for probing new physical phenomena. While the horizon of these black holes can be very large, it was not expected to have an infinitely large curvature (i.e., infinite tidal forces) in the EFT. Their results show that it does.

'In future work, we are interested in exploring whether the singularities can be resolved by ultraviolet physics,' Remmen added. 'A pressing question is whether the sensitivity of the horizon to new physics persists all the way to the Planck scale, or whether the horizon 'smooths out' at the short-distance scale associated with the EFT. We are also looking for other situations in which short distance effects might show up unexpected at large distances.'

Journal information: Physical Review Letters

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