Black objects in a five-dimensional swirling spacetime

En el vasto teatro de la física moderna, la gravedad se estudia a menudo no solo como la fuerza que mantiene nuestros pies en el suelo, sino como una propiedad geométrica del espacio y el tiempo mismos. Durante más de un siglo, el modelo estándar de esta fuerza ha sido la teoría de la relatividad general de Einstein, la cual describe nuestro universo como poseedor de cuatro dimensiones: tres de espacio y una de tiempo. Sin embargo, muchas de las teorías más prometedoras que intentan unificar la gravedad con la mecánica cuántica, como la teoría de cuerdas, sugieren que el universo podría poseer en realidad más dimensiones de las que podemos percibir. Se piensa que estas dimensiones adicionales están enrolladas de forma tan apretada que no podemos verlas, pero su existencia cambiaría fundamentalmente cómo se comporta la gravedad. Cuando los físicos exploran estos mundos de dimensiones superiores, descubren que las reglas que gobiernan los agujeros negros —regiones del espacio tan densas que nada puede escapar de ellas— se vuelven mucho más complejas y variadas que en nuestra familiar realidad de cuatro dimensiones. En lugar de una forma única y simple, los agujeros negros en dimensiones superiores pueden adoptar una "zoología" de formas, incluyendo anillos y otras topologías exóticas, desafiando nuestra comprensión de cómo nacen estos objetos cósmicos y cómo se comportan.

Partiendo de esta base, un estudio reciente de Adriano Viganò en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Milán ha dado un paso significativo al construir un nuevo tipo de entorno cósmico en cinco dimensiones y colocar agujeros negros dentro de él. Los investigadores se centraron en un trasfondo teórico conocido como un "universo arremolinado". Imaginen un universo que no es estático, sino que posee una rotación inherente, un torbellino cósmico generado por la curvatura del espacio-tiempo mismo. En este entorno, el tejido mismo del espacio arrastra a los observadores con él, tal como la corriente de un río lleva a un bote, independientemente de si el bote tiene motor o no. Este concepto fue explorado previamente en cuatro dimensiones, pero el trabajo de Viganò lo extiende a cinco dimensiones, creando un escenario sobre el cual probar el comportamiento de objetos negros complejos. El objetivo era ver si estas condiciones de remolino podían soportar agujeros negros y anillos estables, y comprender cómo la rotación del propio universo altera las propiedades de estos objetos masivos.

Para lograr esto, el equipo utilizó una técnica matemática que permite transformar soluciones conocidas de las ecuaciones de Einstein en nuevas. Comenzaron con el trasfondo más simple posible, un espacio plano de cinco dimensiones, y aplicaron una transformación específica que introdujo el movimiento de remolino. Esto creó un nuevo universo rotatorio que sirvió como telón de fondo. Luego tomaron dos tipos bien conocidos de objetos negros de cinco dimensiones: el agujero negro de Myers–Perry, un objeto esférico en rotación, y el anillo negro rotatorio, un horizonte con forma de dónut. Al incrustar estos objetos en su universo arremolinado, generaron soluciones completamente nuevas que describen cómo existirían estos agujeros negros si todo el cosmos estuviera girando a su alrededor.

Uno de los controles más críticos en un estudio de este tipo es asegurar que las soluciones sean físicamente realistas y estén libres de fallos matemáticos. En el mundo de la física teórica, un problema común con las soluciones construidas es la aparición de "singularidades cónicas". Estas no son puntos de densidad infinita como el centro de un agujero negro, sino defectos geométricos en el tejido del espacio, similares a la punta afilada en la punta de un cono donde la superficie no se suaviza adecuadamente. Tales defectos harían que la solución fuera físicamente imposible. Los investigadores demostraron que tanto el agujero negro arremolinado como el anillo negro arremolinado están libres de estos defectos. Demostraron que, al ajustar cuidadosamente la periodicidad de las coordenadas angulares —esencialmente definiendo cómo el espacio se envuelve sobre sí mismo—, la geometría se vuelve perfectamente suave. Este es un logro notable porque, en escenarios similares de cuatro dimensiones, tales defectos suelen ser inevitables, lo que hace que los resultados de cinco dimensiones sean particularmente robustos y regulares.

El estudio profundizó entonces en las propiedades físicas de estos nuevos objetos, calculando su masa y su momento angular. Los resultados mostraron que el trasfondo arremolinado altera significativamente estos valores. Para tanto el agujero negro como el anillo negro, la presencia del parámetro de remolino aumentó su masa y su momento angular en comparación con sus contrapartes en un universo plano y no rotatorio. Los investigadores encontraron que el movimiento de remolino crea una especie de competencia entre el propio giro del objeto y el giro del universo. Esta interacción impone límites más estrictos a cuánto momento angular puede poseer un agujero negro. En el universo plano estándar, el giro de un agujero negro está limitado por su masa, pero en este entorno arremolinado, el límite es aún más estricto. A medida que el parámetro de remolino aumenta, el giro máximo posible para el agujero negro disminuye, lo que sugiere que el torbellino cósmico restringe la capacidad del objeto para rotar libremente.

Quizás el descubrimiento más sorprendente surgió cuando el equipo examinó el anillo negro. En un universo de cinco dimensiones estándar y plano, los anillos negros sufren un problema conocido como no unicidad. Esto significa que, para un conjunto dado de propiedades físicas, como masa y giro, puede haber dos anillos negros diferentes con distintas formas o tamaños. Es como si las leyes de la física permitieran dos respuestas distintas a la misma pregunta, lo que complica nuestra capacidad para predecir el comportamiento de estos objetos. Sin embargo, cuando el anillo negro fue colocado en el universo arremolinado, esta ambigüedad desapareció. Los investigadores encontraron que el trasfondo arremolinado restauró la unicidad: para cada combinación específica de masa y giro, solo había una posible solución de anillo negro. Esto sugiere que la rotación del universo actúa como una fuerza estabilizadora, resolviendo la confusión que plaga a estos objetos en un entorno estático.

Los investigadores también investigaron las "ergoregiones" de estos objetos, que son áreas fuera del horizonte de sucesos donde el arrastre del espacio-tiempo es tan fuerte que nada puede permanecer estacionario. En el universo arremolinado, estas regiones adquieren una estructura compleja. Para el agujero negro, la ergorregión se extiende hasta el infinito y cambia de forma dependiendo de la fuerza del parámetro de remolino. Con niveles bajos de remolino, la ergorregión consiste en piezas desconectadas, pero a medida que el remolino se intensifica, estas piezas se fusionan en una región única y continua que rodea al agujero negro. Esta evolución resalta cómo la rotación global del universo remodela el entorno inmediato del agujero negro, creando un límite dinámico que es mucho más intrincado de lo que se ve en un cosmos no rotatorio.

La complejidad matemática de la solución del anillo negro requirió métodos numéricos para analizar plenamente su masa y momento angular, pero los resultados fueron consistentes con los hallazgos del agujero negro. La masa y el giro del anillo también resultaron ser mayores que en el caso plano, y la relación entre estas cantidades confirmó la restauración de la unicidad. El estudio concluye que el universo arremolinado no es solo una curiosidad matemática, sino un entorno viable y estable para objetos negros de dimensiones superiores. Ofrece una nueva perspectiva sobre cómo la estructura a gran escala del universo puede influir en las propiedades locales de sus habitantes más extremos. Al demostrar que estas soluciones son regulares y únicas, el trabajo proporciona una imagen más clara de la potencial "zoología" de objetos negros en dimensiones superiores y sugiere que la rotación del propio cosmos juega un papel fundamental en la definición de las reglas de la física de los agujros negros.