Científicos de Cambridge han demostrado cómo las singularidades -que normalmente sólo se dan en el centro de agujeros negros y ocultas de la vista- podrían existir en el espacio 3D altamente curvo.
Los investigadores han utilizado simulaciones por ordenador para predecir la existencia de una denominada singularidad desnuda, que interfiere con la teoría general de la relatividad de Einstein. Esta es la primera vez que una singularidad desnuda, que hace que las leyes de la física se rompan, se predice en el espacio tridimensional. Los resultados se informan en la revista 'Physical Review Letters'.
La teoría general de la relatividad de Einstein subraya la comprensión actual de la gravedad: todo, desde la estimación de la edad de las estrellas en el universo, hasta las señales GPS, se basa en sus ecuaciones. En parte, la teoría dice que la materia deforma su espacio-tiempo circundante, y lo que se denomina gravedad es el efecto de esa deformación. En los 100 años transcurridos desde su publicación, la relatividad general ha superado todas las pruebas que se le han lanzado, pero una de sus limitaciones es la existencia de singularidades.
Una singularidad es un punto donde la gravedad es tan intensa que el espacio, el tiempo y las leyes de la física se descomponen. La relatividad general predice que las singularidades existen en el centro de los agujeros negros y que están rodeadas por un horizonte de sucesos: el 'punto de no retorno', donde la fuerza gravitacional se hace tan fuerte que el escape es imposible, lo que significa que no pueden ser observadas desde el exterior.
Durante más de 40 años, los matemáticos han propuesto que siempre que las singularidades se formen, siempre estarán ocultas de la vista de esta manera;esto se conoce como la 'conjetura de la censura cósmica'. Si es verdad, la censura cósmica significa que fuera de los agujeros negros, estas singularidades no tienen ningún efecto medible sobre nada, y las predicciones de la relatividad general siguen siendo válidas.
En los últimos años, los investigadores han utilizado simulaciones por ordenador para predecir la existencia de 'singularidades desnudas', es decir, las singularidades que existen fuera del horizonte de un evento. Las singularidades desnudas invalidarían la conjetura de la censura cósmica y, por extensión, la capacidad de la relatividad general para explicar el universo como una teoría autónoma. Sin embargo, todas estas predicciones han sido modeladas en universos que existen en dimensiones superiores. Por ejemplo, en 2016, dos estudiantes de Cambridge predijeron la existencia de una singularidad desnuda, pero sus predicciones se basaban en un universo de cinco dimensiones.
La nueva investigación de Toby Crisford y Jorge Santos, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge, ha predicho la existencia de una singularidad desnuda en un universo tetradimensional -tres dimensiones espaciales y tiempo- por primera vez.
Sus predicciones muestran que una singularidad desnuda puede formarse en un tipo especial de espacio curvo conocido como espacio 'anti-de Sitter', en el que el universo tiene una forma distintiva de 'silla de montar'. Según la relatividad general, los universos pueden tener varias formas, y el espacio 'anti-de Sitter' es una de estas formas posibles.
El espacio 'anti-de Sitter' tiene una estructura muy diferente al espacio plano. En particular, tiene un límite que la luz puede alcanzar, momento en el que se refleja de nuevo. "Es un poco como tener un espacio-tiempo en una caja --señala Crisford--. En el límite, las paredes de la caja, tenemos la libertad de especificar lo que están haciendo los diferentes campos, y usamos esta libertad para agregar energía al sistema y eventualmente forzar la formación de una singularidad".
Si bien los resultados no son directamente aplicables a nuestro universo, como "forzar" una singularidad no es un procedimiento que es posible simular en un espacio plano, sino que abren nuevas oportunidades para estudiar otras teorías para entender el universo. Una teoría de este tipo podría implicar la gravedad cuántica, que proporciona nuevas ecuaciones cercanas a una singularidad.
"La singularidad desnuda que vemos es probable que desaparezca si incluyéramos partículas cargadas en nuestra simulación, esto es algo que estamos investigando actualmente --afirma Santos--. Si es cierto, podría implicar una conexión entre la conjetura de la censura cósmica y la conjetura de la gravedad débil, que dice que cualquier teoría coherente de la gravedad cuántica debe contener partículas suficientemente cargadas. En el espacio 'anti-de Sitter', la conjetura de la censura cósmica podría ser salvada por la débil conjetura de la gravedad".
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