Vivim en un univers en rotació? Si ho féssim, podríem viatjar en el temps

Viure en un univers en rotació seria realment estrany.

Clic per engrandir. Gira l'univers? Crèdit: David Wall via Getty Images.

Sabem que els planetes giren, però i l'univers en conjunt? No, sembla que l'univers no rota; si ho fes, seria possible viatjar en el temps cap al passat.

Tot i que a l'Antiguitat s'afirmava que el cel girava arreu del món, el 1949 el matemàtic Kurt Gödel va ser el primer a formular un univers en rotació. Per això va utilitzar el llenguatge de la teoria de la relativitat general d'Albert Einstein, com una forma d'honrar el seu amic i veí de Princeton, el mateix Einstein.

Però aquest procés d'“homenatge” acadèmic va ser en una direcció diferent de la que es podria sospitar, perquè Gödel va utilitzar l'exemple d'un univers en rotació per demostrar que la relativitat general era incompleta.

El model de Gödel d'un univers en rotació era força artificial. A més de la rotació, el seu univers només contenia un ingredient: una cosmològica negativa constant que resistia la força centrífuga d'aquesta rotació per mantenir l'univers estàtic.

 

Però la naturalesa artificial d'aquest univers no preocupava Gödel. El seu argument principal era que la relativitat general permetia la possibilitat d'un univers en rotació. I Gödel va utilitzar el seu univers en rotació per demostrar que la relativitat general permetia viatjar en el temps cap al passat, cosa que hauria d'estar prohibida.

Sortir a fer un tomb per l'univers

Viure en un univers en rotació seria realment estrany. D'una banda tots els observadors es considerarien el centre de rotació. Això vol dir que si un s'estacionés en algun lloc i s'assegurés estar absolutament quiet, veuria que l'univers gira al seu voltant. Però si s'aixequés i es traslladés a qualsevol altre lloc, fins i tot a una galàxia llunyana, sempre continuaria veient l'univers girant al voltant de la nova posició.

Això és increïblement difícil de visualitzar, però no és gaire diferent de la idea que en un univers en expansió, tots els observadors es veuen a si mateixos com el centre de la expansió.

Com més ens allunyem d'un observador, més gran és la velocitat de rotació. I no es tracta només d'una rotació de les coses, sinó del mateix espai-temps. Això vol dir que la llum, que sempre es veu obligada a seguir la curvatura de l'espai-temps, fa estranys viatges. Un feix de llum enviat des d'un observador es corbarà en ser arrossegat per la rotació de l'espai-temps. En algun punt llunyà, la rotació serà excessiva, i la llum girarà i tornarà a l'observador.

Això vol dir que hi ha un límit a la llunyania que pots veure en un univers en rotació, i més enllà d'això, tot el que observaràs són imatges duplicades del teu propi jo passat.

Aquest comportament estrany no s'aplica només a la llum. Si pugessis a un coet i sortissis disparat a través d'un univers en rotació, tu també quedaries atrapat a la rotació. I degut a aquesta rotació, el teu moviment es duplicaria sobre si mateix. Tot i això, quan tornessis al teu punt de partida, et trobaries arribant abans d'haver partit.

Per dir-ho així, un univers giratori seria capaç de fer girar el teu futur cap al teu propi passat, permetent viatjar enrere en el temps.

Romandre assegut

Aquesta era la principal objecció de Gödel a la relativitat general. Aquesta teoria, en ser la nostra comprensió definitiva de l'espai i el temps, no hauria de permetre el viatge en el temps cap enrere, perquè el viatge en el temps cap al passat viola les nostres nocions de causalitat i introdueix tota mena de paradoxes desagradables del viatge en el temps. El fet que la relativitat no impossibilités automàticament el viatge en el temps indicava a Gödel que la teoria d'Einstein era incompleta.

Afortunadament, no hi ha indicis que visquem en un univers en rotació. Si el cosmos estigués girant, la llum procedent d'adreces oposades del cel es desplaçaria cap al vermell en una direcció i cap al blau a l'altra. Els astrònoms han aplicat aquesta prova a estudis de galàxies llunyanes i fins i tot al fons còsmic de microones, que és la llum que queda de quan el cosmos tenia només 380.000 anys. La conclusió d'aquestes proves és que si l'univers gira ho fa a un ritme inferior a 10^-17 graus per segle.

Però l'objecció de Gödel segueix dempeus. Des de 1949, els físics han inventat altres formes que la relativitat general permeti els viatges en el temps enrere, els forats de cuc, el "motor warp" de velocitat superior a la de la llum (conegut com a motor d'Alcubierre) i les trajectòries especials al voltant de cilindres infinitament llargs. Però tots aquests artificis depenen d'algun tipus de física exòtica que trenca la nostra comprensió de com funciona l'univers, com ara la matèria amb massa negativa.

Clic per engrandir. Pont Einstein-Rosen, conegut també com a forat de cuc.

 

Però l'univers giratori de Gödel és simplement una qüestió de prova observacional, no pas una ruptura fonamental amb la física coneguda. Podríem haver-nos trobat en un univers en rotació amb la mateixa facilitat amb què ens trobem en un en expansió. No hi ha res en el nostre coneixement de la física que impedeixi que hi hagi aquest tipus d'univers, així que no hi ha res en el nostre coneixement de la física que impedeixi viatjar enrere en el temps.

Potser Gödel té raó, i tinguem més que aprendre sobre l'univers.

Ho he vist aquí.

El forat negre al centre de la Via Làctia és un forat de cuc?

Clic per engrandir. Recreació artística d'un forat de cuc que connecta dos universos. Crèdit: vchalup, Fotolia.

Submergeix-te al cor dels forats negres, aquestes estrelles que devoren tota la matèria, i fins i tot la llum! 

Després del descobriment dels forats negres, descobrirem forats de cuc? Diverses tècniques ens podrien permetre fer-ho, una de les quals s'acaba de descriure. Es podria aplicar a Sagitari A, (Sgr A) el nostre forat negre supermassiu que potser no ho és, sinó que és un forat de cuc entre dos universos paral·lels.

Investigadors de renom han estat especulant sobre l'existència de forats de cuc en astrofísica durant gairebé 60 anys. Aquestes solucions a les equacions d'Einstein són de fet cosines de les que porten a la teoria dels forats negres. Per tant, s'ha especulat que almenys alguns dels objectes que observem al cosmos avui, que semblen comportar-se com forats negres, no ho són. Per demostrar-ho, caldria demostrar que aquests objectes no tenen un horitzó d'esdeveniments, per exemple estudiant les ones gravitatòries que emeten durant els xocs i buscant modes quasi normals.

Sabem, efectivament, des d'aquest punt de vista que els forats negres predits per la teoria de la relativitat general poden vibrar en posseir un espectre de vibracions que constitueix una targeta d'identitat fiable com ho són les línies d' emissió dels àtoms d'un objecte determinat. Teòricament és possible distingir un forat negre descrit per les equacions d'Einstein d'un forat negre descrit per una altra teoria relativista de la gravitació (per exemple tensor-escalar per utilitzar l'argot dels físics teòrics) amb aquest espectre que és precisament la marca de quasi-normal.

A més, un objecte que sigui compacte, però que no tingui un horitzó d'esdeveniments, emetria diferents ones gravitatòries durant una col·lisió. Un forat de cuc no té aquest horitzó i per tant, es pot imaginar intentant detectar l'existència d'aquests objectes gràcies a l'astronomia gravitatòria.

Alguns escenaris cosmològics que fan que els camps escalars juguen un paper important, potser en relació amb l'existència d'energia fosca avui o d'una fase d'inflació a l'univers primordial, permeten imaginar que els forats de cuc van aparèixer durant el Big Bang. Els forats negres supermassius, l'existència dels quals s'explica fent-los créixer a partir de "llavors" que serien forats negres primordials nascuts de fluctuacions de densitat en el contingut de l'univers en el seu naixement, podrien convertir-se en forats de cuc primordials.

Un seminari de Katie Bouman sobre la imatge presa de M87. Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Crèdit: Caltech. YouTube.

Les ones gravitatòries no són l'única manera de provar la teoria del forat negre i revelar l'existència d'objectes exòtics que podrien ocupar el seu lloc. De fet, els membres de la  col·laboració del Telescopi Event Horizon van intentar esbrinar si M87 no era realment un forat de cuc perquè la imatge que es podria obtenir no és la mateixa segons si es troba en presència d'un forat negre semblant a Kerr o un objecte amb característiques de forat de cuc. Sembla que, en el cas de M87, aquesta última possibilitat és poc probable, tal com va explicar Katie Bouman en el seu seminari a Caltech (vegeu minuts 45 a 49, al vídeo anterior). 

Avui, dos investigadors, Dejan Stojkovic, de la Universitat de Buffalo (EUA), i De-Chang Dai de la Universitat de Yangzhou, han esbossat un altre mètode per intentar esbrinar si un forat negre no és en realitat un forat de cuc. L'article sobre aquest tema, que es pot consultar en accés obert a arXiv, es va publicar a la reconeguda revista Physical Review D.

La idea bàsica és senzilla d'entendre. Si un forat negre supermassiu com Sgr A és de fet un forat de cuc, canalitza el camp gravitatori dels objectes en una de les seves entrades per sortir per l'altra. Això ha de passar tant si els dos extrems del forat de cuc es troben al nostre Univers com si connecten dos universos.

El resultat seria que els moviments d'estrelles properes a Sgr A, per exemple la famosa S2, no s'ajustarien exactament al que s'espera perquè el camp gravitatori no seria el d'un forat negre de Kerr sinó la suma dels camps produïts per el forat de cuc i per les estrelles properes a banda i banda del forat de cuc.

Clic per engrandir. En aquest diagrama, al centre les dues boques d'un forat de cuc identificades com una, i que apareixen a primera aproximació com dos horitzons d'esdeveniments d'un forat negre però que no ho són. Aquest forat de cuc connecta dues regions del mateix univers o dos universos. El camp de gravetat que experimenten dues estrelles és, de fet, el resultat del del forat de cuc i de cadascuna d'aquestes estrelles a banda i banda del forat de cuc, fet que provoca moviments anormals si no se sap que estem en presència d'un forat de cuc. Crèdit: American Physical Society.

Per descomptat, en descobrir aquestes anomalies de moviment, es plantejaria la qüestió de saber fins a quin punt és possible explicar-les a partir d'altres hipòtesis, per exemple amb la presència d'una població de forats negres estel·lars difícils de detectar a prop de Sgr A, que sens dubte modificaria l'aspecte de l'espai-temps al voltant de Sgr A, espai-temps la mètrica del qual, com diuen els físics, ja no seria exactament la d'un forat negre de Kerr.

El cert és que és una pista interessant per profunditzar, tant el descobriment de l'existència de forats de cuc, potencialment connectats a altres universos a més, tal com esperava poder demostrar el difunt Nikolai Kardaixov amb RadioAstron, seria una revolució científica.

Aquesta simulació mostra les òrbites d'un petit grup d'estrelles situades prop del forat negre supermassiu al centre de la Via Làctia. Durant l'any 2018, una d'aquestes estrelles, anomenada S2, va passar molt a prop del forat negre i va ser objecte d'una intensa campanya d'observacions amb telescopis de l'ESO. El seu comportament era coherent amb les prediccions de la teoria de la relativitat general d'Einstein, però incompatible amb la teoria de la gravitació de Newton. Crèdit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

 

Què cal recordar?

Els forats negres es defineixen per l'existència d'un horitzó d'esdeveniments. Comparteixen algunes altres propietats amb objectes sense horitzó com els forats de cuc, també solucions de les equacions d'Einstein i, per tant, poden suplantar-los.

Diversos objectes astrofísics es comporten de manera convincent com forats negres, però falta una prova definitiva, la presència d'un horitzó; hi ha alternatives a aquesta hipòtesi però no són gaire creïbles.

LIGO i VIRGO podrien permetre distingir forats negres i forats de cuc  mitjançant un fenomen d'eco en les ones gravitatòries emeses durant les col·lisions i fusions d'aquests objectes o mitjançant la detecció de modes quasi normals.

Existeixen altres estratègies, una de les quals consisteix a mesurar finament el moviment de les estrelles al voltant del forat negre supermassiu de la Via Làctia Sgr A. Les estrelles a l'altre costat d'una de les entrades a un forat de cuc podrien fer sentir la seva presència gravitatòriament.

Ho he vist aquí.