Un estudiante de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha logrado un avance significativo en el campo de la astrofísica. El joven investigador obtuvo una nueva solución exacta de las ecuaciones de Einstein, capaces de describir el campo gravitatorio de una masa en rotación situada en un universo en expansión.
El hallazgo, publicado en la prestigiosa revista ‘Physics Letters B’, conecta dos pilares fundamentales de la cosmología moderna: la descripción de los agujeros negros de Kerr y la cosmología de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW). Este último es el marco teórico utilizado para representar un universo homogéneo e isótropo a gran escala.
Antonio Peña Peña, autor del estudio, ha abordado un problema que llevaba nueve décadas abierto: la descripción, dentro de la Relatividad General, de un agujero negro en rotación que se encuentra en un universo en expansión.
¿Crecen los agujeros negros con el universo?
En su investigación, Peña Peña no encontró indicios de un acoplamiento entre la expansión cósmica y el crecimiento de estos objetos. Esta posibilidad había sido planteada en años recientes como un posible vínculo entre los agujeros negros y la energía oscura.
«Los resultados indican que la masa del agujero negro permanece estacionaria y no crece con la expansión del universo. Tampoco lo hace, por tanto, al ritmo necesario para sostener la hipótesis del acoplamiento cosmológico», explicó el investigador.
Hasta ahora, la descripción más precisa de los agujeros negros en rotación provenía de la métrica de Kerr, una solución exacta de la Relatividad General. Esta métrica describe el campo gravitatorio de objetos masivos que giran sobre sí mismos, pero parte de una simplificación importante: asume que, lejos del agujero negro, el espacio-tiempo es aproximadamente plano y estático.
Esta condición facilita los cálculos y permite estudiar con gran precisión la región cercana al agujero negro, pero no resulta realista a escala cosmológica, porque el universo se expande. Esta diferencia cobró especial relevancia en 2023, cuando un equipo internacional, con participación de investigadores de la Universidad de Hawái y liderado por Duncan Farrah y Kevin Croker, propuso que objetos compactos como los agujeros negros podrían crecer al mismo ritmo que la expansión del universo mediante un mecanismo denominado «acoplamiento cosmológico».
Según esa hipótesis, los agujeros negros podrían actuar como una fuente de energía oscura, el componente asociado a la expansión acelerada del universo. De ser así, estos objetos habrían aumentado de tamaño durante miles de millones de años sin necesidad de absorber gas, estrellas u otros agujeros negros. El estudio de 2023 aportaba indicios observacionales compatibles con este escenario, aunque no concluyentes.
El siguiente paso era encontrar una justificación teórica que explicara ese posible crecimiento. Los autores planteaban que el fenómeno podría apuntar a una «nueva física», quizá relacionada con una solución aún desconocida de las ecuaciones de Einstein. La cuestión de fondo era que todavía no existía una solución exacta que describiera un agujero negro de Kerr inmerso en un universo en expansión. En principio, una métrica de ese tipo podía revelar nuevas dinámicas de acoplamiento entre los agujeros negros y la expansión cosmológica.
Una solución que debilita la teoría del acoplamiento
En este contexto, el trabajo publicado por el investigador de la UAM debilita la posible conexión entre agujeros negros y energía oscura dentro del marco de la Relatividad General. Según esta nueva solución, la teoría no permite que un agujero negro de Kerr crezca de forma acoplada a la expansión del universo.
El trabajo recupera la solución de Kerr en el límite adecuado, reproduce la métrica de McVittie cuando no hay rotación y se aproxima a la geometría cosmológica FLRW lejos del objeto. El análisis muestra además que, para un observador situado cada vez más lejos del agujero negro, este parecería hacerse progresivamente más pequeño y su ergosfera tendería a desaparecer.
«En otras palabras, el efecto de arrastre de marco –la rotación del espacio-tiempo inducida por el agujero negro– se percibiría como menos pronunciado a grandes distancias. Eso sí, se trata solo de un efecto óptico a causa de la expansión. Un observador cercano al agujero negro no detectaría cambio alguno», explicó Peña.
«Si observaciones futuras confirmaran un comportamiento de ese tipo habría que buscar su explicación en otros procesos astrofísicos o en física más allá de la Relatividad General. Por ahora la interpretación más prudente es que los indicios observacionales disponibles no son concluyentes y que serán necesarias muestras más amplias para determinar si estos objetos crecen realmente de ese modo», concluye el investigador.
Fuente: Infobae