Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen sinó que són boles de cordes.

Segons alguns càlculs de la teoria de les supercordes, els forats negres no existeixen, sinó que es formarien objectes amb propietats similars anomenats "Boles de pelussa, o en anglès conegudes com a "fuzzballs". Aquestes boles difuses de supercordes tindrien signatures particulars en forma d'ones gravitacionals durant les col·lisions d'estrelles que erròniament pensem que són autèntics forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge d'un artista que mostra l'origen del senyal observat pels detectors d'ones gravitacionals LIGO i VIRGO el 21 de maig de 2019 (GW190521). Devia ser una col·lisió de forats negres. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Entrevista: com mesurar les ones gravitatòries?  Les ones gravitatòries són distorsions de l'espai-temps predites per Einstein. Seria possible mesurar-los amb les eines adequades. L'editor literari Dunod va entrevistar Pierre Binétruy, professor del laboratori d'Astropartícules i Cosmologia de la Universitat Diderot de París, per saber més sobre aquestes ones misterioses i com podríem detectar-les (en francés).

Des de la detecció de les ones gravitacionals l'any 2015 i en menor grau gràcies a les imatges de la col·laboració del Telescopi Event Horizon, es podria creure que l'existència de forats negres és un fet provat. Ho podem pensar, però encara no podem afirmar-ho i una publicació recent a la famosa i reconeguda revista Physical Review D aporta aigua al molí d'aquells que pensen que no només els forats negres no existeixen sinó que aviat serà possible demostrar-ho. gràcies a l'astronomia gravitacional i als avenços en detectors com LIGO i VIRGO.

L'article sobre aquest tema prové d'un equip de físics amb seu a la Universitat de Roma “La Sapienza”, la principal universitat italiana, i és de lliure accés a arXiv. Per entendre de què va tot això, tornem a principis dels anys vuitanta, quan el que s'anomenava l'època daurada de la teoria del forat negre estava arribant a la seva fi, i les teories de la supergravetat i, en menor mesura, les supercordes estaven en auge.

Després del seu impressionant treball en astrofísica, Subrahmanyan Chandrasekharva ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1983. Com és habitual per al lliurament d'aquest premi, el guardonat va fer una conferència. Al final de la del gran astrofísic indi, trobem observacions fascinants sobre la teoria matemàtica dels forats negres, que són aproximadament les que venen a continuació del vídeo.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Subramanyan Chandrasekhar rebent la seva medalla i diploma durant la cerimònia del Premi Nobel a la Sala de Concerts d'Estocolm, Suècia, el 10 de desembre de 1983. Crèdit: Nobel Prize.

"No sé si la importància total del que vaig dir està clara. Deixi'm explicar. Els forats negres són objectes macroscòpics amb masses que varien des d'unes poques masses solars fins a milers de milions de masses solars. Quan es poden considerar estacionaris i aïllats, tots, cadascun d'ells, es descriuen exactament per la solució de Kerr. Aquest és l'únic cas conegut en què tenim una descripció exacta d'un objecte macroscòpic.

Els objectes macroscòpics que ens envolten estan governats per una varietat de forces, descrites per diverses aproximacions de diverses teories físiques.

D'altra banda, els únics elements de construcció dels forats negres són els nostres conceptes bàsics d'espai i temps. Són, doncs, gairebé per definició, els objectes macroscòpics més perfectes de l'Univers. I com que la teoria de la relativitat general ens proporciona una família de solucions que només depenen de dos paràmetres per a la seva descripció, també són els objectes més simples de l'Univers".

Aquesta senzilla observació és a l'arrel de la famosa paradoxa de la informació sorgida del descobriment de Stephen Hawking de la famosa radiació quàntica dels forats negres.

De fet, les observacions de Chandrasekhar es refereixen a la teoria dels forats negres deduïda rigorosament de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Com Hawking i un altre Premi Nobel de Física, Roger Penrose demostraran abundantment amb els seus col·legues, en el marc d'aquesta teoria hem de considerar que el que defineix un forat negre és només l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i absolutament no l'existència d'una singularitat de l'espai-temps. Aquest horitzó d'esdeveniments és una superfície tancada que constitueix una frontera que envolta una regió de la qual només es pot entrar i no sortir mai, perquè per fer-ho caldria superar la velocitat de la llum. De vegades es descriu com una membrana que només es pot travessar en una direcció i com totes les membranes és de fet un objecte dinàmic que pot vibrar, deformar-se, estirar però que tindria la particularitat de no poder-se trencar mai.

L'entropia i la teoria paradoxal de la informació dels forats negres

Però segons els càlculs de Hawking, descrivint quànticament el comportament de la llum i la matèria al voltant d'un forat negre, aquests objectes molt compactes començarien a irradiar com ho faria un cos escalfat, més precisament el que anomenem cos negre. Tanmateix, segons la teoria de la termodinàmica aquesta radiació implica que un forat negre té una quantitat anomenada entropia. En tots els sistemes físics coneguts, una gran entropia s'associa a un objecte molt complex en el sentit que està formada per partícules molt nombroses descrites per un nombre molt gran de paràmetres i per a les quals hauria de disposar d'una gran quantitat d'informació per caracteritzar-les. Quan un gas cau en un forat negre, aquesta informació ja no està disponible per a un observador extern. També és impossible, per les mateixes raons, comunicar-se amb una sonda que travessaria l'horitzó i disposar d'informació valuosa sobre el que veuria aquesta sonda, ja que no podria enviar ones de ràdio  fora del forat negre a més, qualsevol informació continguda només en la memòria de aquesta sonda es perdria irremeiablement ja que no es pot comunicar fora del forat negre.

A la pràctica, doncs, ja que la definició d'informació i entropia donada a partir del treball de Claude Shannon i John von Neumann, la pèrdua d'informació generada per l'horitzó d'esdeveniments dóna lloc a l'entropia. Hawking, en particular, havia demostrat abans del seu descobriment de la radiació dels forats negres que la superfície de l'horitzó d'esdeveniments ha d'augmentar quan un forat negre s'empassa alguna cosa i això d'acord amb la llei del creixement de l'entropia de la termodinàmica si se identificar el valor de l'entropia d'un forat negre com el producte de la superfície del seu horitzó per una constant de proporcionalitat adequada.

Tenint en compte les declaracions de Chandrasekhar, immediatament s'entén que alguna cosa no funciona. Els forats negres es caracteritzen rigorosament per un nombre reduït de paràmetres, massa, moment cinètic i la càrrega, independentment del fet que l'objecte d'una massa determinada que hi cauria sigui un bloc de ferro o un llibre amb molta més informació.

Com a resultat, els forats negres no haurien de poder contenir molta informació i part d'ella no s'amagaria, sinó que es destruiria, o almenys això és el que es podria deduir ingènuament a primera vista, de manera que els forats negres no haurien de ser capaços de poder ser dotats d'una forta entropia d'una manera coherent amb els principis fonamentals de la física coneguda, al contrari del que impliquen les lleis de la termodinàmica i la mecànica quàntica aplicada a aquests objectes, a partir de la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Ens trobem, doncs, davant d'una paradoxa que és precisament la de la informació amb forats negres. Hauria d'existir paràmetres amagats en un nombre molt gran darrere del petit nombre de paràmetres que descriuen un forat negre i les solucions de la teoria d'Einstein només serien descripcions artificialment simplificades d'un sistema físic que podria contenir tants graus de llibertat (posicions i velocitats de partícules) que un gas com diuen els físics en el seu argot. Per tant, els forats negres no haurien de ser objectes perfectament "llisos" i simples de la mateixa manera que la Terra no és una esfera de matèria perfectament esfèrica formada per un material senzill i coherent.

Durant gairebé una dècada, l'estudi d'aquesta paradoxa ha donat lloc a nous problemes, un dels quals va ser descobert per Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully. Es coneix com el "tallafoc» (firewall en anglès).

N'hi ha prou amb saber que una de les solucions a aquesta paradoxa és admetre que els forats negres sí que es comporten en moltes situacions astrofísiques i físiques com si a la pràctica tinguessin un horitzó d'esdeveniments, però això en l'absolut no és cert. Un horitzó d'esdeveniments només seria el que anomenem en física un concepte efectiu i no fonamental, de la mateixa manera que és pràctic considerar que l'aigua o l'aire són fluids continus que permeten càlculs amb les equacions de Navier-Stokes, mentre que en realitat sabem bé que estan formats de molècules.

Un gas de supercordes autogravitant

Sovint s'ha argumentat que una teoria quàntica de la gravitació i el seu acoblament a la matèria permetria resoldre totes les preguntes que queden sense resposta amb els forats negres, en particular eliminant les singularitats al cor de les solucions del forat negre conegudes a la relativitat general. Durant anys els físics i, en particular, Samir Mathur, de la Universitat Estatal d'Ohio, han argumentat que aquest ha de ser realment el cas utilitzant la teoria de supercordes que implicaria que més enllà de l'etapa de col·lapse de l'estrella de neutrons convertint-se en un forat negre, l'objecte una mica més compacte format seria de fet una bola de supercordes anomenada Bola de pelussa, una teoria que li devem precisament a Samir Mathur.

Si suposem que les partícules de matèria i fins i tot totes les partícules quàntiques fonamentals, gluons i bosons de Brout-Englert-Higgs inclòs, són supercordes vibrants, aleshores els càlculs mostren que la matèria d'una estrella que s'esfondra indefensament per sota de l'horitzó d'esdeveniments associat amb el forat negre en què sembla convertir-se no hauria d'acabar per sota de la forma d'un punt de densitat infinita a el lloc on l'espai-temps mateix és aniquilat segons la teoria no quàntica d'Einstein, al cor d'un forat negre. Les supercadenes quàntiques s'estirarien i s'allargarien fins al punt de formar una mena de gas quàntic difús ocupant tot el volum dins d'un horitzó d'esdeveniments que només seria efectiu, una mica com els que tenen lloc a la superfície del Sol.

Però, com provar aquesta teoria?

Clic a la imatge per engrandir. El treball més famós del físic indi, CV Vishveshwara (1938-2017), és el descobriment dels modes quasi-normals dels forats negres. El 1970 va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitatòria tornarà al seu estat original emetent ones gravitatòries d'una forma característica determinada pel que s'anomenen modes quasi-normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi-normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres Kerren en rotació. Els modes quasi-normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació de modes quasi-normals es considera una manera d'establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi-normals característics dels forats negres

El senyal de les ones gravitacionals detectades per LIGO i VIRGO sobre col·lisions de forats negres ja era un argument fort a favor de l'existència de forats negres en la teoria de la relativitat general, però encara no és del tot concloent a dia d'avui. De fet, el que realment estem intentant destacar, ja que aquests detectors, i d'altres com el KAGRA, augmenten de sensibilitat és el que anomenem modes quasi-normals de l'horitzó d'esdeveniments dels forats negres i ja tenim pistes en aquesta direcció.

Els modes quasi-normals ja es coneixen en la física clàssica com a campanes que es toquen. Es produeix un so que s'esmorteix amb el temps i aquest so es pot dividir en diverses freqüències i ones elementals particulars, anàlogues als modes normals que componen una corda vibrant sense amortiment notable. Aquests modes quasi-normals constitueixen una mena de targetes d'identitat espectrals d'un forat negre en l'espai-temps corbat igual que l'espectre brillant d'elements per a la composició de l'atmosfera de l'estrelles.

Tanmateix, com hem dit, un horitzó d'esdeveniments pot comportar-se com una membrana vibrant i, per tant, en teoria és possible demostrar l'existència d'aquesta membrana amb els seus modes de vibració propis, quasi-normals, mitjançant l'anàlisi del senyal gravitacional d'una col·lisió d'un forat negre. És una mica com escoltar el "so" del forat negre i comprovar que es comporta com el que esperaries que faci un forat negre.

En l'article que es ve publicar, donada la complexitat dels càlculs amb la teoria de les boles de pelussa, els investigadors van voler fer una prova més senzilla sobre la col·lisió de dues d'aquestes boles de corda i tenir una idea del senyal gravitatori produït. Van fer simulacions numèriques pel que fa al comportament d'un espai-temps descrit per una teoria de supergravetat en quatre dimensions anomenades tipus N=2 i capturant la geometria d'una solució de tipus bola de pelussa per al que seria un forat negre eficaç pertorbat externament.

Aleshores, els càlculs mostren que inicialment el senyal obtingut és similar al dels modes quasi-normals d'un forat negre recentment format per la fusió de dos forats negres en col·lisió, però al cap d'un cert temps el senyal ja no inclou els modes que descriuen un horitzó i, per tant, delata el fet que només és efectiu. Com a avantatge, els mateixos càlculs mostren que també podríem destacar els ecos gravitacionals, un fenomen descrit anteriorment, i que vindrien aquí de les ones gravitacionals que es propaguen dins de la bola de supercordes.

Segons els investigadors, LIGO i VIRGO algun dia haurien de ser capaços de detectar aquest senyal.

Ho he vist aquí.