Agujeros de gusano

Buenas.

Ahora que se está tan de moda hablar de agujeros de gusano y demás gracias a la reciente película de Nolan "Interstellar", creo que no está de mas publicar un post resumiendo algunas ideas básicas de agujeros de gusano, los tipos que hay y sus pros y contras.

Pero para ello primero habría que hacer una introducción aunque sea pequeña de la idea básica de agujero negro y de las deformaciones del tejido del espacio-tiempo

Introducción

Hay mucha información en la web sobre agujeros negros, así que animo al lector a que acuda a otras fuentes mas extensas sobre este tema, ya que quizás la introducción que daré le resulte algo escueta.

La idea básica de agujero negro es la de una región esférica del espacio-tiempo en la que se acumula una cantidad suficiente de masa de forma que la luz no puede escapar desde dicha región.

Desde que en 1915, Einstein publicara su Teoría General de la Relatividad, se sabe que la masa deforma el tejido del espacio-tiempo de su alrededor, haciendo que las trayectorias de los objetos que pasan cerca se curven induciendo así el efecto de la gravedad (que no será más que la aceleración provocada por la curvatura del espacio) . De este modo, cualquier cuerpo o partícula (tenga masa o no) debe seguir una trayectoria curva que se ajusta a la curvatura del espacio-tiempo por donde circula.

Aplicando el concepto de curvatura del espacio al agujero negro, se obtiene el típico gráfico del embudo:

Hay que aclarar (por si hay alguien que aún no lo tenga claro), que esta curvatura del espacio no es algo que se pueda ver desde el espacio en sí, sino que es una representación 2D de la curvatura del espacio 3D. El eje z en el gráfico no correspondería a ninguna dimensión de nuestro espacio, sino que se incluye para poder representar la curvatura de una forma gráfica clara.

La singularidad en realidad no podría verse, ya que se situaría justo en el fondo del embudo, pero, teóricamente, desde las ecuaciones de la Relatividad General, el embudo no tiene fondo porque no hay nada que pueda parar el colapso gravitatorio (hay que aclarar también que esto es un concepto aproximado, para entender qué le pasa a un cuerpo en colapso gravitatorio cuando alcanza tamaños muy pequeños hay que lograr una unión total fructífera entre Mecánica Cuántica y Relatividad General, algo que no se ha logrado aún. De momento sólo tenemos aproximaciones o uniones parciales entre ambas).

Horizonte de sucesos

Como se puede ver en el gráfico, el horizonte de sucesos es una región que se forma durante el colapso gravitatorio de una estrella, que marca el momento en el que los rayos de luz no pueden escapar. En dicho momento es cuando se forma el agujero negro, y el horizonte de sucesos delimita su frontera. Posteriormente, la estrella continúa su colapso gravitatorio sin nada que pueda frenarlo, de forma que al final queda un punto matemático de tamaño cero y densidad infinita (singularidad), de ahí que la curvatura del espacio-tiempo también se haga infinita y el gráfico no tenga una punta del embudo definida.

Agujero negro-Agujero blanco

Bien, comencemos con los tipos diferentes de agujeros de gusano. El primer tipo quizás sea el tipo más clásico, en el que el embudo del tejido del espacio tiempo formado por un agujero negro se "comunica" con un embudo "invertido" de un hipotético agujero blanco:

La otra "cara" o "lámina" del gráfico puede ser o bien una parte distante de nuestro universo o incluso otro universo diferente. En el caso de que el agujero de gusano conecte dos partes de nuestro universo, el gráfico puede dibujarse así:

Aquí nos encontramos con el primer problema, y es que se requiere de la existencia de "agujeros blancos", que serían objetos que en lugar de atraer materia (gravedad positiva) la repeliesen en una especie de gravedad repulsiva desconocida hasta el momento. Esto es algo que no se ha observado nunca, y tampoco se deduce de ningún modelo cosmológico que pueda haber objetos que generen una gravedad repulsiva (la famosa energía oscura que provoca la expansión acelerada del universo sería una forma de gravedad repulsiva, pero hasta el momento, es algo que se tiene que introducir artificialmente en los modelos cosmológicos).

Otra posibilidad es que estos agujeros blancos sean en realidad agujeros negros invertidos temporalmente. Si tiramos de imaginación e intentamos visualizar cómo se comportaría un agujero negro si lo vemos como si fuera una película que se rebobina, veríamos que la gravedad sería repulsiva y que los objetos salen del agujero pero nunca entran. Pero claro, esto implicaría asumir que o bien el agujero de gusano conecta con un universo cuya flecha temporal está invertida, o bien que conecta con una región de nuestro universo que tenga esta inversión temporal. Lo primero prácticamente está en terreno filosófico y no es ciencia (por suponer, podemos suponer que hay miles de universos paralelos y demás historias ahí fuera. Empíricamente, sólo tenemos acceso a este universo y lo que no esté en este ni sea accesible por métodos empíricos, no es ciencia). Lo segundo (zonas de nuestro universo que tengan la flecha temporal invertida), es una asunción muy extrema y requiere de comprobaciones observacionales que no se han obtenido en ningún momento.

Aparte de estos inconvenientes, nos encontramos además que la "garganta" del agujero de gusano es inestable. Al estar surcado por fotones con muy alta energía (debido al enorme potencial gravitatorio), el cuello del agujero de gusano tiende siempre a cerrarse, por lo que es necesario incorporar una especie de "materia exótica" que ejerza una presión repulsiva que compense el colapso gravitatorio y mantenga estable el túnel. No se conoce ningún tipo de "material" que ejerza este tipo de presión, sin embargo se piensa que la energía del vacío y las fluctuaciones cuánticas (que a fin de cuentas producen supuestamente la energía oscura causante de la expansión acelerada del cosmos) podrían causar este tipo de efecto.

Topología del espacio-tiempo: agujeros de gusano primordiales

Otra posibilidad para los agujeros de gusano aparece si se consideran configuraciones "especiales" para la topología del espacio-tiempo. 

Normalmente, se suele representar el universo bien como una hiperesfera en 4 dimensiones (de curvatura positiva), es decir, una esfera con una superficie tridimensional (que es donde vivimos nosotros, en su superficie), bien como una superficie de silla de montar (curvatura negativa), o bien como un plano (curvatura nula):

Nuevamente, hay que tener en cuenta que la dimensión desde la que se observan estas formas realmente no existen o no tienen sentido físico. Nosotros no podemos ver el universo desde una dimensión superior, estamos atrapados en las superficies de estos objetos.

Sin embargo, existen topologías mucho más curiosas. Por ejemplo, lo que se conoce en matemáticas como un toroide:

¿A qué nos recuerda esta imágen?

Cabría pensar que la topología del universo no fuera tan sencilla como una hiperesfera más o menos lisa o una superficie de silla de montar, sino que tuviese túneles como el de un toroide. El toroide sería un ejemplo sencillo de universo con un solo agujero de gusano, pero podríamos imaginar topologías con muchos agujeros, o "Universos Gruyere". 

Si la topología se conserva a medida que el universo evoluciona, el universo conservaría su número de agujeros de gusano desde su nacimiento aunque este se expandiese (de ahí lo de primordiales), pero esto implicaría que no se podrían "crear" estos agujeros, sino que el universo tiene siempre el mismo número de agujeros. Si, por el contrario, la topología no se conserva, sería posible "rasgar" el espacio para crearlos, pero nada impediría que la gravedad o la propia expansión del espacio "alisara" y eliminara estos agujeros de gusano.

Si existieron en el pasado agujeros de gusano, aunque éstos desaparecieran con la expansión, podrían haber dejado una huella muy característica en la radiación de fondo de microondas. Sin embargo, hasta donde se sabe, esta radiación (emitida por el plasma caliente que inundaba el universo unos 300.000 años después del Big Bang) es muy uniforme por lo que se piensa que la topología del espacio en esa época era "suave" y sin irregularidades grandes como agujeros de gusano.

Por otro lado, los modelos cosmológicos actuales presuponen un universo isótropo y homogéneo a gran escala y, de momento, las observaciones apoyan esta hipótesis. Esto significa que su topología (o forma) es suave y no tiene cambios bruscos o deformaciones grandes, lo cual sería un indicativo de que no existen agujeros de gusano que atraviesen grandes cantidades de espacio, ya que supondría una deformación importante de la topología y tendría un efecto observable y medible en las posiciones y velocidades de los supercúmulos de galaxias.

Fluctuaciones cuánticas "Gigantes"

Este tipo de agujeros de gusano requiere primero refrescar un poco conceptos cuánticos.

Hablar de mecánica cuántica es muy complicado y difícil de entender. Quizás el concepto más importante en mecánica cuántica sea también el más abstracto y difícil de entender: El Principio de indeterminación de Heisenberg.

Una de las implicaciones de este principio, es que no puede existir el concepto de vacío en el espacio.

Implica que, si tomamos una región de espacio y quitamos todas las partículas hasta que ya no quede ninguna, aunque nos parezca que ya hemos logrado un vacío, no será así, ya que aún nos quedarían los valores de los campos electromagnético, gravitatorio, etc que hace que siempre exista una cantidad mínima de energía en dicho espacio vacío (energía del punto cero). Esta energía puede usarse para crear de forma espontánea pares de partículas-antipartículas virtuales (de vida muy corta), que rápidamente se aniquilan y devuelven la energía "prestada".

Las fluctuaciones del campo electromagnético implica la creación de fotones-antifotones (el fotón y el antifotón es la misma partícula y son indistinguibles). Del mismo modo, una aproximación cuántica de la gravedad implicaría la creación y aniquilación de pares de gravitones-antigravitones virtuales (el gravitón y el antigravitón también son iguales, en general, los bosones son sus propias antipartículas).

Sin embargo, las fluctuaciones de gravitones también se pueden considerar fluctuaciones de ondas gravitatorias (dualidad onda-corpúsculo), y las ondas gravitatorias son ondas de deformaciones del espacio-tiempo. Por lo que esta aproximación de la gravedad cuántica, permite representar las fluctuaciones del espacio-tiempo a pequeña escala de la siguiente manera:

Esta especie de "espuma cuántica" de espacio-tiempo permitiría la creación de agujeros de gusano microscópicos que sólo serían sondeables, en principio, por partículas elementales.

Sin embargo, ¿podría ampliarse o expandirse de forma natural (o artificial) una de estas fluctuaciones hasta una escala cosmológica?.

Si esta aproximación a la gravedad cuántica es correcta y estos agujeros de gusano son posibles y pueden expandirse hasta una escala cosmológica  (lo cual, ya de por sí, es mucho suponer), aún nos quedaría el problema de cómo evitar que la garganta del agujero de gusano se colapsase por efecto de la gravedad, y sería necesario, de nuevo, el uso de "material exótico" que provocase una presión o un efecto repulsivo que mantuviese estable el túnel. No obstante, también se piensa que las fluctuaciones del vacío son responsables de la repulsión o presión que hace que actualmente el universo se encuentre en una fase de expansión acelerada, por lo que podría ser que el propio vacío actuara como este "material exótico"

Conclusiones

Todos los mecanismos posibles que se pueden encontrar en la física actual que pueden producir agujeros de gusano tienen muchas complicaciones y muy poca evidencia observacional.

Aún se necesitaría una teoría sólida que combine Relatividad General con Mecánica Cuántica que nos indique si realmente los agujeros negros no acaban teniendo un tamaño finito y una curvatura suave en el extremo, y por lo tanto, no llevar a ningún sitio salvo a la destrucción.

Esta aproximación también es necesaria si queremos saber si la "materia exótica" tanto si es en la forma de un nuevo tipo de fuerza repulsiva, o un efecto de las fluctuaciones cuánticas del vacío, puede proporcionar el efecto necesario para estabilizar un agujero de gusano.

De momento, con lo que sabemos, lo único que podemos decir, es que los agujeros de gusano son más ciencia ficción (por no decir fantasía) que ciencia verdadera.

Anexo: Motores de curvatura:

Aprovecho este post que, aunque va dirigido principalmente a los agujeros de gusano, me parece oportuno aprovecharlo para comentar este nuevo tipo de "tecnología" ya que implica la manipulación de la curvatura del espacio-tiempo, que es el elemento común de este tipo de fenómenos.

Hace relativamente poco tiempo se publicaron algunos artículos sobre un proyecto de motor de curvatura que se basaban en el mecanismo de Alcubierre para distorsionar el espacio-tiempo.

La idea básica es que una nave espacial capaz de comprimir el espacio de delante, y expandir el espacio de detrás, podría atravesar una distancia sin moverse realmente del sitio. 

Aquí mostramos otro gráfico:

Puesto que, en principio no existen restricciones sobre a qué velocidad puede comprimirse o expandirse el espacio, no existiría la limitación de la velocidad de la luz (de hecho se piensa que en etapas primordiales, el universo tuvo que expandirse a velocidades muy superiores a la de la luz).

Sin embargo, al igual que sospechamos que el responsable de la expansión acelerada del espacio es debida a una "energía oscura" del vacío que aún no comprendemos, para poder expandir y contraer este espacio según nuestras necesidades requeriría poder controlar esta fuerza. Parece obvio además, que cuanta más distorsión necesitemos (es decir, cuanto mayor sea la distancia que queramos recorrer) mayor es la cantidad necesaria de esta energía para poder crear dicha distorsión. No sólo no sabemos si podremos controlar este tipo de energía, sino que además, no sabremos si las cantidades de energía necesarias para realizar viajes largos serían posibles (no ya rentables).

Con esto ya doy por acabado este post, que bastante largo me ha salido y eso que sólo quería tratar el tema un poco por encima. Cualquier duda o aclaración, podemos verlo en los comentarios.

Saludos.