Agujero de gusano: historia, teoría, tipos, formación
Un agujero de gusano, en astrofísica y cosmología, es un pasadizo que conecta dos puntos en el tejido del espacio-tiempo. Tal como la manzana cayendo inspiró la teoría de la gravitación de Isaac Newton en 1687, los gusanos que perforan las manzanas han inspirado nuevas teorías, también en el marco de la gravitación.
Así como el gusano logra llegar a otro punto de la superficie de la manzana a través de un túnel, los agujeros de gusano espacio-temporales constituyen atajos teóricos que permiten viajar a sitios distantes del universo en menos tiempo.
Es una idea que ha capturado y sigue capturando la imaginación de muchos. Mientras tanto, los cosmólogos se ocupan de buscar formas de comprobar su existencia. Pero por los momentos todavía son objeto de especulación.
Para acercarse un poco a la comprensión de los agujeros de gusano, la posibilidad de viajar en el tiempo a través de ellos y las diferencias que existen entre los agujeros de gusano y los agujeros negros, hay que ubicarse en el concepto de espacio-tiempo.
Índice del artículo
- 1 ¿Qué es el espacio-tiempo?
- 2 Túneles a través del espacio – tiempo
- 3 La inestabilidad de los agujeros de gusano
- 4 Diferencias entre agujeros negros y agujeros de gusano
- 5 Variedad/tipos de agujeros de gusano
- 6 ¿Será posible ver algún día los agujeros de gusano?
- 7 Referencias
El concepto de espacio-tiempo está estrechamente vinculado al del agujero de gusano. Por eso es necesario establecer primeramente qué es y cuál es su característica principal.
El espacio-tiempo es donde ocurren todos y cada uno de los sucesos en el universo. Y el universo a su vez es la totalidad del espacio-tiempo, capaz de albergar todas las formas de materia-energía y más…
Cuando el novio se encuentra con la novia es un suceso, pero este suceso tiene unas coordenadas espaciales: el lugar del encuentro. Y una coordenada temporal: año, mes, día y hora del encuentro.
El nacimiento de una estrella o la explosión de una supernova, también son sucesos que se desarrollan en el espacio-tiempo.
Ahora bien, en una región del universo libre de masa e interacciones, el espacio-tiempo es plano. Esto significa que dos rayos luminosos que comienzan paralelos siguen así, mientras se mantengan en esa región. Por cierto, para un rayo de luz el tiempo es eterno.
Claro que el espacio-tiempo no siempre es plano. El universo contiene objetos que poseen masa que modifican el espacio-tiempo, originando una curvatura espacio-temporal a escala universal.
Fue el propio Albert Einstein el que se dió cuenta, en un momento de inspiración que él llamó “la idea más feliz de mi vida”, de que un observador acelerado es localmente indistinguible de otro que esté cercano a un objeto masivo. Es el famoso principio de equivalencia.
Y un observador acelerado curva el espacio-tiempo, es decir la geometría euclideana deja de ser válida. Por lo tanto, en el entorno de un objeto masivo como una estrella, un planeta, una galaxia, un agujero negro o el universo mismo, el espacio-tiempo se curva.
Esa curvatura es percibida por los seres humanos como una fuerza llamada gravedad, cotidiana pero misteriosa a la vez.
La gravedad es tan enigmática como la fuerza que nos empuja hacia adelante cuando el autobús en el que viajamos frena bruscamente. Es como si de pronto algo invisible, oscuro y masivo, por unos instantes se pusiera delante y nos atrajera, impulsándonos de improviso hacia adelante.
Los planetas se mueven en forma elíptica en torno al Sol porque la masa de este produce una depresión en la superficie espacio-temporal que hace que los planetas curven sus trayectorias. Un rayo luminoso también curva su trayectoria siguiendo la depresión espacio-temporal producida por el Sol.
Si el espacio-tiempo es una superficie curva, en principio nada impide que una zona se conecte con otra a través de un túnel. Viajar a través de un túnel así, implicaría no solo cambiar de lugar, sino que también ofrece la posibilidad de ir a otro tiempo.
Esta idea ha inspirado muchos libros, series y películas de ciencia ficción, entre ellas la famosa serie estadounidense de los años sesenta “El túnel del tiempo” y más recientemente “Deep Space 9” de la franquicia Star Trek y la película Interstellar del 2014.
La idea provino del mismo Einstein, quien buscando soluciones a las ecuaciones de campo de la Relatividad General, encontró junto a Nathan Rosen una solución teórica que permitía conectar dos regiones distintas del espacio-tiempo a través de un túnel que funcionaba como atajo.
Esa solución se conoce como el puente de Einstein – Rosen y aparece en un trabajo publicado en 1935.
Sin embargo el término «agujero de gusano» se usó por primera vez en 1957, gracias a los físicos teóricos John Wheeler y Charles Misner en una publicación de ese año. Anteriormente se había hablado de “tubos unidimensionales” para referirse a la misma idea.
Más tarde en 1980, Carl Sagan estaba escribiendo la novela de ciencia ficción “Contacto”, libro del que más tarde se hizo una película. La protagonista llamada Elly, descubre vida extraterrestre inteligente a 25 mil años luz de distancia. Carl Sagan quería que Elly viajase hasta allí, pero de una forma que fuera científicamente creíble.
Recorrer 25 mil años luz de distancia no es tarea fácil para un humano, a menos que se busque un atajo. Un agujero negro no puede ser solución, dado que al acercarse a la singularidad, la gravedad diferencial desgarraría a la nave y a su tripulación.
En busca de otras posibilidades, Carl Sagan consultó a uno de los principales expertos en agujeros negros de la época: Kip Thorne, quien comenzó a pensar en el asunto y se dio cuenta de que los puentes de Einstein-Rosen o los agujeros de gusano de Wheeler eran la solución.
Sin embargo Thorne también se percató de que la solución matemática era inestable, es decir, el túnel se abre, pero al poco tiempo se estrangula y desaparece.
¿Es posible utilizar los agujeros de gusano para viajar grandes distancias en el espacio y en el tiempo?
Desde que fueron ideados, los agujeros de gusano han servido en numerosas tramas de ciencia ficción para llevar a sus protagonistas a lugares remotos y a experimentar las paradojas del tiempo no lineal.
Kip Thorne encontró dos soluciones posibles al problema de la inestabilidad de los agujeros de gusano:
- Mediante la llamada espuma cuántica. A escala de Planck (10-35 m) hay fluctuaciones cuánticas capaces de conectar dos regiones del espacio-tiempo a través de microtúneles. Una hipotética civilización muy avanzada podría encontrar la manera de ensanchar los pasajes y mantenerlos el tiempo suficiente para que pase un humano.
- Materia de masa negativa. Según los cálculos publicados en 1990 por el mismo Thorne, se necesitarían ingentes cantidades de esta materia extraña para mantener abiertos los extremos del agujero de gusano.
Lo notable de esta última solución, es que a diferencia de los agujeros negros, no hay singularidad ni fenómenos cuánticos, y el pase de los humanos a través de este tipo de túneles sería factible.
De esta manera, los agujeros de gusano no solamente permitirían conectar regiones lejanas en el espacio, sino también separadas en el tiempo. Por lo tanto son máquinas para viajar en el tiempo.
Stephen Hawking, el gran referente de la cosmología de finales del siglo XX, no creía factibles ni los agujeros de gusano ni las máquinas del tiempo, a causa de las muchísimas paradojas y contradicciones que surgen de ellos.
Eso no ha disminuido los ánimos de otros investigadores, quienes han sugerido la posibilidad de que dos agujeros negros en distintas zonas del espacio-tiempo, estén conectados internamente por un agujero de gusano.
Aunque esto no sería práctico para los viajes espacio – temporales, ya que aparte de las tribulaciones que traería entrar a la singularidad del agujero negro, no habría ninguna posibilidad de salir por el otro extremo, ya que es otro agujero negro.
Cuando se habla de un agujero de gusano, también se piensa de inmediato en los agujeros negros.
Un agujero negro se forma naturalmente, después de la evolución y muerte de una estrella que tenga cierta masa crítica.
Surge después de que la estrella agota su combustible nuclear y se comienza a contraer irreversiblemente debido a su propia fuerza gravitacional. Prosigue implacablemente hasta causar un colapso tal, que nada a una distancia menor que el radio del horizonte de sucesos puede escapar, ni siquiera la luz.
En comparación, un agujero de gusano es una aparición excepcional, consecuencia de una hipotética anomalía en la curvatura del espacio-tiempo. En teoría es posible atravesar por ellos.
Sin embargo si alguien intentase pasar por un agujero negro, la intensa gravedad y la extrema radiación en el entorno cercano de la singularidad lo convertiría en un delgado hilo de partículas subatómicas.
Se tiene evidencia indirecta y solo muy recientemente directa, de la existencia de los agujeros negros. Entre estas evidencias están la emisión y detección de ondas gravitacionales por la atracción y rotación de dos colosales agujeros negros, detectadas por el observatorio de ondas gravitacionales LIGO.
Hay evidencia de que en el centro de las grandes galaxias, como nuestra Vía Láctea existe un agujero negro súper masivo.
La rápida rotación de las estrellas cercanas al centro, así como la ingente cantidad de radiación de alta frecuencia que de allí emana, son pruebas indirectas de que existe un enorme agujero negro que explica la presencia de estos fenómenos.
Apenas fue el 10 de abril de 2019 que se mostró al mundo la primera fotografía de un agujero negro supermasivo (7000 millones de veces la masa del Sol), ubicado en una galaxia muy lejana: Messier 87 en la constelación de Virgo, a 55 millones de años luz de la Tierra.
Esta fotografía de un agujero negro fue posible gracias a la red mundial de telescopios, denominada “Event Horizon Telescope”, con la participación de más de 200 científicos de todo el mundo.
De los agujeros de gusano en cambio, no se tiene evidencia alguna hasta la fecha. Los científicos han sido capaces de detectar y hacer el seguimiento de un agujero negro, sin embargo lo mismo no ha sido posible con los agujeros de gusano.
Por tanto son objetos hipotéticos, aunque teóricamente factibles, como en un tiempo lo fueron también los agujeros negros.
Pese a que aún no han sido detectados, o quizá precisamente por esto, se han imaginado distintas posibilidades para los agujeros de gusano. Todas son teóricamente factibles, ya que satisfacen las ecuaciones de Einstein para la relatividad general. Aquí hay algunas:
- Agujeros de gusano que conectan dos regiones espacio-temporales de un mismo universo.
- Los agujeros de gusano capaces de conectar un universo con otro universo.
- Puentes de Einstein-Rosen, en los cuales la materia pudiese pasar de una abertura hasta la otra. Aunque este paso de materia causaría una inestabilidad, haciendo colapsar al túnel sobre sí mismo.
- El agujero de gusano de Kip Thorne, con un cascarón esférico de materia de masa negativa. Es estable y atravesable en ambas direcciones.
- El llamado agujero de gusano de Schwarzschild, consistente en dos agujeros negros estáticos conectados. No son atravesables, ya que materia y luz quedan atrapados entre ambos extremos.
- Los agujeros de gusano con carga y/o rotación o de Kerr, consistentes en dos agujeros negros dinámicos conectados internamente, atravesables en una sola dirección.
- Espuma cuántica de espacio-tiempo, cuya existencia se teoriza a nivel subatómico. La espuma está compuesta por túneles subatómicos altamente inestables que conectan distintas zonas. Para estabilizarlos y ampliarlos se requeriría la creación de un plasma de quarks y gluones, que demandaría una cantidad casi infinita de energía para su generación.
- Más recientemente gracias a la teoría de cuerdas, se ha teorizado sobre agujeros de gusano sostenidos mediante cuerdas cósmicas.
- Agujeros negros entrelazados y luego separados, de los cuales surge un agujero espacio-temporal, o puente de Einstein-Rosen que se mantiene unido por la gravedad. Se trata de una solución teórica propuesta en septiembre de 2013 por los físicos Juan Maldacena y Leonard Susskind.
Todos son perfectamente posibles, ya que no son contradictorios con las ecuaciones de Einstein de la relatividad general.
Por mucho tiempo, los agujeros negros fueron soluciones teóricas de las ecuaciones de Einstein. El mismo Einstein puso en duda la posibilidad de que alguna vez pudiesen ser detectados por la humanidad.
Así que durante mucho tiempo, los agujeros negros permanecieron como una predicción teórica, hasta que se encontraron y se ubicaron. Los científicos albergan la misma esperanza respecto a los agujeros de gusano.
Es muy posible que ellos también estén por allí, pero aún no se ha aprendido a localizarlos. Aunque según una publicación muy reciente, los agujeros de gusano sí dejarían huellas y sombras observables incluso con telescopios.
Se cree que los fotones se desplazan alrededor del agujero de gusano generando un anillo luminoso. Los fotones más cercanos caen dentro y dejan tras de sí una sombra que permitirá diferenciarlos de los agujeros negros.
De acuerdo con Rajibul Shaikh, físico del Instituto Tata de Investigación Fundamental de Mumbai en la India, un tipo de agujero de gusano rotatorio produciría una sombra más grande y deformada que la de un agujero negro.
En su trabajo, Shaikh ha estudiado las sombras teóricas proyectadas por una cierta clase de agujeros de gusano giratorios, enfocándose en el papel crucial de la garganta del agujero para la formación de una sombra de fotones que permita identificarlo y diferenciarlo de un agujero negro.
Shaikh también ha analizado la dependencia de la sombra con el giro del agujero de gusano y además la ha comparado con la sombra que proyectaba un agujero negro giratorio de Kerr, encontrando significativas diferencias. Se trata de un trabajo completamente teórico.
Aparte de ello, por los momentos, los agujeros de gusano permanecen como abstracciones matemáticas, pero es posible que muy pronto se logre divisar alguno. Lo que se encuentre al otro extremo, por el momento sigue siendo objeto de conjeturas.
- El entrelanzamiento cuántico peude dar lugar a la gravedad. Tomado de cienciaaldia.com
- Progress of Physics, Vol 61, Issue September 2013 Pages 781 -811
- Agujero de gusano. Tomado de wikipedia.org
- Espacio-tiempo. Tomado de wikipedia.org.
- David Nield (2018). Crazy New Paper Suggests Wormholes Cast Shadows We Could Easily See With Telescopes. Tomado de sciencealert.com