Los agujeros negros son objetos astronómicos intrigantes que tienen una atracción gravitacional tan fuerte que impide que cualquier objeto, e incluso la luz, escape. Si bien los agujeros negros han sido objeto de numerosos estudios astrofísicos, sus orígenes y la física subyacente siguen siendo en gran medida un misterio.
Investigadores de la Universidad de Pensilvania y del Centro Atómico Bariloche introdujeron recientemente un nuevo modelo de microestados de agujeros negros en relación con el origen de la entropía (es decir, el grado de desorden) en los agujeros negros.
Este modelo, presentado en un artículo publicado en Physical Review Letters , proporciona una perspectiva alternativa sobre los agujeros negros que podría informar futuras investigaciones astrofísicas.
"La fórmula de entropía de Bekenstein-Hawking, que describe la termodinámica de los agujeros negros, fue descubierta en la década de 1970", dijo a Phys.org Vijay Balasubramanian, coautor del artículo. "Esta fórmula sugiere que los agujeros negros tienen una entropía proporcional al área de sus horizontes.
"Según la física estadística, desarrollada por Boltzmann y Gibbs a finales del siglo XIX, la entropía de un sistema está relacionada con el número de configuraciones microscópicas que tienen la misma descripción macroscópica.
"En un mundo mecánico cuántico como el nuestro, la entropía surge de las superposiciones cuánticas de 'microestados', es decir, componentes microscópicos que producen los mismos rasgos observables a grandes escalas".
Los físicos llevan décadas intentando proporcionar una explicación creíble de la entropía de los agujeros negros. En la década de 1990, Andrew Strominger y Cumrun Vafa aprovecharon una propiedad hipotética conocida como "supersimetría" para idear un método para contar los microestados de una clase especial de agujeros negros para los cuales la masa es igual a la carga electromagnética, en universos con dimensiones adicionales y múltiples tipos de campos eléctricos y magnéticos.
Para explicar el origen de la entropía de los agujeros negros en universos como el nuestro, Balasubramanian y sus colegas tuvieron que crear un nuevo marco teórico.
"A pesar de intentos anteriores, hasta ahora no ha habido ninguna explicación que se aplique a los tipos de agujeros negros que se forman a partir del colapso estelar en nuestro mundo", dijo Balasubramanian. "Nuestro objetivo era proporcionar dicha cuenta."
La principal contribución de este trabajo reciente fue presentar el nuevo modelo de microestados de agujeros negros, que pueden describirse en términos de capas de polvo que colapsan dentro del agujero negro. Además, los investigadores idearon una técnica para contar las formas de superposición de estos microestados de forma mecánica cuántica.
"La idea clave de nuestro trabajo es que geometrías espacio-temporales muy diferentes correspondientes a microestados aparentemente distintos pueden mezclarse entre sí debido a los efectos sutiles de los 'agujeros de gusano' de la mecánica cuántica que unen regiones distantes del espacio", dijo Balasubramanian.
"Después de tener en cuenta los efectos de estos agujeros de gusano, nuestros resultados mostraron que para cualquier universo que contenga gravedad y materia, la entropía de un agujero negro es directamente proporcional al área de su horizonte de sucesos, como propusieron Bekenstein y Hawking".
El reciente trabajo de Balasubramanian y sus colegas introduce una nueva forma de pensar sobre los microestados de los agujeros negros. Su modelo los describe específicamente como superposiciones cuánticas de objetos simples que están bien descritos por las teorías físicas clásicas de la materia y la geometría del espacio-tiempo.
"Esto es muy sorprendente, porque la comunidad esperaba que una explicación microscópica de la entropía de los agujeros negros requeriría todo el aparato de una teoría cuántica de la gravedad, como la teoría de cuerdas", dijo Balasubramanian.
"También mostramos que los universos que difieren entre sí en escalas macroscópicas, incluso cósmicas, a veces pueden entenderse como superposiciones cuánticas de otros universos macroscópicamente diferentes. Esta es una manifestación de la mecánica cuántica a escala de todo el universo, lo cual es sorprendente dado que normalmente asociamos la mecánica cuántica con fenómenos de pequeña escala."
El marco teórico recientemente introducido podría allanar el camino para otros trabajos teóricos destinados a explicar la termodinámica de los agujeros negros. Mientras tanto, los investigadores planean ampliar y enriquecer su descripción de los microestados de los agujeros negros.
"Ahora estamos estudiando hasta qué punto y en qué circunstancias un observador fuera del horizonte de sucesos puede determinar en qué microestado se encuentra un agujero negro", añadió Balasubramanian.
