Singularidades primordiales desnudas: ¿los laboratorios de gravedad cuántica de la naturaleza impregnan el universo?

Dos físicos indios han propuesto teóricamente una idea innovadora que podría cambiar fundamentalmente la visión actual sobre el contenido del universo y potencialmente proporcionar formas de explorar el santo grial de la física, a saber, la gravedad cuántica. El profesor Pankaj Joshi de la Universidad de Ahmedabad, India (anteriormente en el Instituto Tata de Investigación Fundamental [TIFR], India) y el profesor Sudip Bhattacharyya del TIFR han demostrado que el colapso gravitacional de la materia en el universo temprano podría dar lugar a objetos puntuales increíblemente densos, es decir, singularidades visibles o desnudas, que podrían representar una fracción significativa de la materia invisible en el universo. Esta investigación fue publicada en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Una ilustración de un agujero negro y una singularidad desnuda. Cualquiera de ellos puede ser el producto final de un colapso gravitacional de la materia, dependiendo de las condiciones iniciales y de otro tipo. Para un agujero negro, nada, ni siquiera la luz, puede escapar del horizonte de sucesos. Por lo tanto, la materia casi infinitamente densa, es decir la singularidad, y la región que la rodea son inaccesibles para un observador distante. Pero la singularidad y su región circundante son accesibles para una singularidad desnuda porque no tiene un horizonte de eventos. Por lo tanto, las singularidades desnudas, si existen, brindan una oportunidad única para probar la gravedad cuántica cerca de la singularidad y otros aspectos extremos de la física en la región circundante. Crédito: Sudip Bhattacharya

Cuando nuestro universo observado actualmente se originó en un evento explosivo de Singularidad del Big Bang, los estados de la materia allí en términos de temperaturas, densidades y otros aspectos eran extremos. El conocido físico Stephen Hawking sugirió en 1971, tras una propuesta similar de Yakov Zeldovich e Igor Novikov en 1966, que debe haber lo que se llama “fluctuaciones cuánticas” en la fase temprana del universo. Cuando son lo suficientemente fuertes, conducen a una contracción gravitacional y al colapso de las burbujas de materia de densidad extremadamente alta presentes allí. Se sugirió que esto crearía agujeros negros primordiales (PBH) en gran medida en el universo primitivo.

Un agujero negro es un objeto cósmico exótico predicho por la teoría de la Relatividad General de Einstein. No tiene una superficie dura y su materia es casi infinitamente densa. Esta materia, es decir, la singularidad, está oculta dentro de un límite invisible, llamado horizonte de sucesos, del cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. Por lo tanto, en el caso de los agujeros negros no se puede acceder mediante observación a esta singularidad y a la región extrema dentro del horizonte de sucesos.

Se propuso que los agujeros negros primordiales podrían constituir una fracción significativa de la materia oscura. La materia oscura representa aproximadamente una cuarta parte del contenido del universo actual y hay aproximadamente cinco veces más materia oscura que la materia normal visible. Sin embargo, no sabemos con certeza de qué está hecha esta misteriosa materia oscura y, por tanto, es un problema fundamental de la física y la cosmología. Científicos de todo el mundo han seguido investigando exhaustivamente los agujeros negros primordiales, y se están investigando incansablemente sus implicaciones para las cuestiones de la materia oscura.

En la nueva investigación, los profesores Joshi y Bhattacharyya han demostrado que el colapso gravitacional en la fase temprana del universo también podría conducir a singularidades visibles o desnudas donde la singularidad no está cubierta por un horizonte de sucesos. Por lo tanto, estas singularidades desnudas primordiales (PNaS), a diferencia de los agujeros negros, podrían ser accesibles mediante observación. Esta condición de gravedad ultrafuerte proporciona una oportunidad única y excelente para investigar nuevos aspectos fundamentales de la física del universo, incluida la gravedad cuántica. Actualmente se piensa que comprender la gravedad cuántica es la última gran frontera de la física, en la que se pretende construir una teoría consistente que involucre dos grandes teorías nuevas de la física del siglo XX: la teoría cuántica y la teoría de la gravedad de Einstein.

Si las PNaS representan una gran fracción de la materia oscura, entonces una parte significativa del universo podría estar formada por objetos puntuales casi infinitamente densos, es decir, singularidades, a las que se puede acceder mediante observación. Esta tentadora posibilidad de tener singularidades visibles que impregnen el universo podría cambiar la visión actual sobre el universo. Las PNaS podrían, en principio, revelar efectos observables de la gravedad cuántica y, por tanto, servir como laboratorios naturales para probar las teorías propuestas sobre la gravedad cuántica. Estos antiguos objetos exóticos, tan antiguos como el propio universo, también abrirán a los científicos la física de la región extrema alrededor de la singularidad, una región que es inaccesible para los agujeros negros.