Estrellas negras: agujeros negros fallidos como resultado de un efecto cuántico, la polarización del vacío

Dibujo20090927_black_star_resulting_from_vacuum_polarizationCarlos Barceló, del Instituto de Astrofísica de Andalucía en Granada, y sus colaboradores han demostrado que los efectos cuánticos en la teoría semiclásica de la gravedad permiten evitar que las estrellas en colapso gravitatorio formen agujeros negros (si el colapso es suficientemente lento). El resultado es un nuevo objeto astrofísico al que han llamado estrellas negras. Para un observador externo estas estrellas son indistinguibles de un agujero negro. Están formadas por la energía gravitatoria del vacío cuántico en un espaciotiempo curvado. No presentan horizonte de sucesos y evitan el problema de la pérdida de información cuántica en agujeros negros. Si el colapso es muy rápido o si el objeto que colapsa tiene una masa enorme, millones de masas solares, el resultado es un agujero negro convencional. Un gran trabajo que nos cuentan magistralmente en su artículo Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Black stars, not holes. Quantum effects may prevent true black holes from forming and give rise instead to dense entities called black stars,” Scientific American, october 2009, pp. 39-45 [versión gratis] (aparecerá en español en Investigación y Ciencia en diciembre de 2009). Su artículo técnico es Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, Matt Visser, “Fate of gravitational collapse in semiclassical gravity,” Physical Review D 77: 044032 (2008). También es interesante leer el artículo de Matt Visser, Carlos Barceló, Stefano Liberati, Sebastiano Sonego, “Small, dark, and heavy: But is it a black hole?,” ArXiv, Submitted on 2 Feb 2009.

Un agujero negro es el resultado del colapso de una estrella que ha consumido todo su combustible. Para los físicos teóricos es un tipo de solución de las ecuaciones de Einstein para la gravedad. Un agujero negro de la masa del Sol tiene un radio (horizonte de sucesos) de unos 3 kilómetros. ¿Existen los agujeros negros? La evidencia astrofísica indica que existen objetos ultracompactos que no emiten luz ni ningún tipo de radiación que tienen masas entre varias veces la del Sol y millones de veces, con diámetros de unos pocos kilómetros hasta millones de kilómetros. ¿Estos objetos oscuros observados por los astrofísicos son agujeros negros? Casi todo el mundo cree que así es, pero, hay varias propuestas alternativas.

¿Podrían los efectos cuánticos evitar el colapso gravitatorio? No tenemos una teoría cuántica de la gravedad, pero se puede utilizar una aproximación semiclásica para la gravedad cuántica, similar a la utilizada por Hawking para demostrar que los agujeros negros se evaporan. ¿Cuál es el resultado? Los efectos cuánticos evitan que un agujero negro (un horizonte de sucesos) se forme, resultando en la formación de una estrella negra, constituida sólo por espaciotiempo.

La teoría cuántica de la gravedad no es renormalizable. ¿Qué significa esto? En una teoría cuántica de campos el vacío tiene una energía infinita. La técnica llamada de renormalizabilidad permite obtener el comportamiento de las partículas elementales sólo a partir de diferencias entre estados de energía, con lo que los infinitos de la energía del vacío se cancelan. En una versión cuántica de la teoría de la gravedad no ses posible aplicar esta técnica.

En la teoría semiclásica de la gravedad se sustituye la renormalizabilidad por una técnica de autoconsistencia. Según la relatividad general una distribución de materia-energía produce un espaciotiempo curvo. Esta curvatura modifica la energía de los campos cuánticos, lo que a su vez modifica el propio espaciotiempo curvo. Y así sucesivamente. El resultado es una solución autoconsistente si este procedimiento converge. Esta aproximación semiclásica incorpora los comportamientos cuánticos de la materia pero trata la gravedad (curvatura del espaciotiempo) de forma clásica. Una aplicación ad hoc de esta teoría conduce a que el vacío tiene una energía infinita, lo que es incompatible con las observaciones astronómicas actuales. ¿Cómo funciona la hipótesis de consistencia? La energía gravitatoria del vacío semiclásico de cualquier solución válida debe ser nula cuando se sustituye en ella un espaciotiempo plano. La presencia de masa curva el espaciotiempo y la densidad de energía del punto cero de los campos cuánticos no se cancela exactamente. Esta polarización del vacío se asume en la gravedad semiclásica que se cancela exactamente a cero para un espaciotiempo plano. El tensor de energía-esfuerzo (stress-energy tensor, SET) se sustituye por un tensor de energía-esfuerzo renormalizado (RSET). La materia clásica curva el espaciotiempo en una cantidad dado por el SET clásico. El vacío cuántico adquiere un RSET finito no nulo. Dicho término es una nueva fuente de gravedad que modifica la curvatura, lo que induce un nuevo valor para RSET y así sucesivamente. La graveadad semiclásica consiste en aplicar este procedimiento de forma reiterada hasta que RSET converge.

¿Cómo afecta la gravedad semiclásica a los agujeros negros? El solución de Schwarzschild para el campo gravitatorio de una distribución de masa esférica que no rota ni tiene carga nos permite entender el campo gravitatorio alrededor de un estrella y de un agujero negro. Está caracterizada por una M y un radio R. Un objeto con masa M que colapse hasta ocupar una región de radio menor que R desaparece dentro de un horizonte de sucesos y se forma un agujero negro. Las correcciones cuánticas aplicadas a la solución de Schwarzschild para una estrella como el sol que tiene un radio mucho mayor que su radio de Schwarzschild (unos 3 km.) conduce a un valor desprecible para el valor de RSET para el vacío cuántico. Las correcciones cuánticas son importantes sólo cuando el radio de la estrella es mayor pero cercano al radio de Schwarzschild R. En 1976 David G. Boulware, ahora en la Universidad de Washington, demostró que el valor de RSET para el vacío crece conforme el radio se acerca a R. Esto significa que la gravedad semiclásica no permite la existencia de agujeros negros estacionarios.

Dibujo20090927_slow_and_fast_collapse_black_hole_and_black_star_respectively

¿Qué afirma la gravedad semiclásica sobre el colapso de una estrella? La importancia de los efectos cuánticos depende de la rapidez del colapso. Normalmente se asume que el colapso es muy rápido, tan rápido como la caída libre de la materia de la superficie de la estrella hacia el centro de la estrella, lo que resulta en un del RSET del vacío cuántico despreciable durante todo el colapso. Sin embargo, si el colapso es más lento, el RSET puede adquirir un valor arbitrariamente grande. Además adquiere valores negativos en la región cercana al radio de Schwarzschild, donde debería formarse el horizonte de sucesos clásico, lo que genera un efecto repulsivo que ralentiza aún más el colapso. El resultado es que el colapso de la estrella se detiene justo antes de la formación de un horizonte de sucesos. El resultado es una estrella negra, salvo para un objeto perfectamente esférico con una masa enorme, del orden de millones de masas solares, en cuyo caso nada evita el colapso y la formación de un (super)agujero negro.

Dibujo20090927_black_star_shell_model_and_thermodynamicsLas estrellas negras (black stars) se mantienen estables gracias a los efectos cuánticos de la polarización del vacío según la teoría de la gravedad semiclásica. El campo gravitatorio de una estrella negra es idéntico al de un agujero negro siendo su radio algo mayor que el radio de Schwarzschild sin que se forme un horizonte de sucesos. Las estrellas negras permiten resolver el problema de la pérdida de información cuántica en los agujeros negros, ya que emiten radiación de Hawking pero no es térmica, sino que acarrea la información cuántica de la materia de la estrella que la formó. De esta forma se preserva la unitariedad. La estrella negra está formada por capas, como una cebolla, donde cada capa es una estrella negra más pequeña, que también emite radiación de Hawking, pero a una temperatura más alta. La temperatura del interior de las estrellas negras crece conforme nos acercamos a su centro.

En las “estrellas” negras la masa de la estrella original que colapsó se ha transformado en un RSET no nulo concentrado, es decir, en polarización del vacío. Son estrellas constituidas sólo por espaciotiempo curvado. Según los autores del artículo, desde un punto de vista astrofísico son indistinguibles de un agujero negro convencional. Por ello, los autores creen que muchos de los agujeros negros de masa pequeña e intermedia que se han observado en el universo son en realidad estrellas negras.


10 Comentarios

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FernandoFernando

En el artículo dice:

“La presencia de masa curva el espaciotiempo y la densidad de energía del punto cero de los campos cuánticos no se cancela exactamente. Esta polarización del vacío se asume en la gravedad semiclásica que se cancela exactamente a cero para un espaciotiempo plano”.

Pregunta a emulenews:

¿Como miden esa polarización, cual es el error experimental y cuanto es lo que no se cancela?

Gracias de antemano,

Un experimental, especialidad Óptica

emulenewsemulenews

Fernando has puesto la misma pregunta en Menéame (así que te la contesto en ambos lugares, aquí con figura).

En un medio material, el campo eléctrico producido por un objeto cargado eléctricamente polariza los átomos cercanos reduciendo el campo eléctrico total que produce sobre el medio. Lo habrás estudiado en tus estudios de las propiedades ópticas de los materiales en física del estado sólido.

¿Qué es la polarización del vacío en QED, electrodinámica cuántica? El campo eléctrico de un electrón polariza el vacío, porque polariza los pares de partícula/antipartícula virtuales que aparecen a su alrededor. Esto es así en cualquier teoría cuántica de campos, QFT.

En teoría de la relatividad general, el papel de la carga eléctrica es jugado por la masa y la energía y el papel del campo eléctrico por la curvatura del espaciotiempo. La polarización del vacío produce un déficit de energía (una especie de nube de energía negativa) alrededor de cualquier distribución de masa y energía. La polarización del vacío en cualquier teoría cuántica de la gravedad produce una fuerza repulsiva, que en el caso de las estrellas negras podría logar estabilizar gravitatoriamente a dichas estrellas.

Dibujo20090929_solving_fernando_question_on_vacuum_polarization

¿Cómo miden la polarización del vacío en gravedad cuántica? Nadie ha sido capaz de hacerlo. Por tanto no tiene sentido hablar de errores experimentales, etc.

¿Cómo miden la polarización del vacío en QED? Es muy difícil medirla directamente. La polarización del vacío es responsable de que las constantes de interacción de fuerzas en QFT cambien con la energía. La medida directa más famosa es la del acelerador japonés KEK y su colisionador de pares electron-positón (TRISTAN). El detector TOPAZ midió la contribución de la polarización del vacío a la constante de estructura fina de la QED. El valor de 1/α≅137.0 para Q=0, se redujo a 1/α≅128.5 para Q=57.77 GeV/c (debido a la polarización del vacío), siendo Q el momento transferido en una colisón e+e- → μ+μ- . Más detalles técnicos sobre errores experimentales en el propio artículo técnico I. Levine et al. (TOPAZ Collaboration), “Measurement of the Electromagnetic Coupling at Large Momentum Transfer,” Phys. Rev. Lett. 78: 424-427 (1997). El mismo efecto con la transferencia de momento se produce por el incremento de la energía (a más energía, más polarización del vacío y en el caso de la QED mayor constante de estructura fina). Para una energía sqrt(s) en 1040–1380 MeV, se obtuvo 1/α≅134.1 en M. N. Achasov et al. “Study of the process e+e—>µ+µ- in the energy region sqrt(s)=980, 1040–1380,” Phys. Rev. D 79, 112012 (2009). Es importante recordar que en ambos artículos se obtuvo un gran coincidencia con el valor teórico predicho por el modelo estándar para el efecto de la polarización del vacío. Más detalles sobre el análisis teórico de este efecto en cualquier libro de texto (monografía) de QED.

Julian Juarez Rdz.Julian Juarez Rdz.

Entonces, es posible observar en el espacio el agujero negro, pero una estrella negra sera posible obervarla igual?
Es posible que (como referencia a la geometria -elipse-) nuestro sistema solar tenga dos focos: el SOL y el otro una estrella negra, donde el campo magnetico de la segunda hace posible que no se aleje la tierra cuando se encuantra en la parte mas alejada del sol?
Que piensan? espero sus comentarios.

emulenewsemulenews

El radio de un agujero negro y de una estrella es muy pequeño luego no se pueden observar directamente pero sí se pueden observar sus efectos gravitatorios. Por otro lado, la excentricidad de las órbitas de la mayoría de los planetas en el sistema solar es tan pequeña que los dos focos de dichas elipses se encuentran en el interior del Sol (p.ej. en el caso de la Tierra), luego no tiene sentido hablar de una estrella negra en el otro foco…

piscolppiscolp

Desde chico yo si creia que existian estrellas negras pero cuando le decia a alguien me ignoraban o me decian que hablaba sonceras, que no habian oido hablar de estrellas negras, pero lo que ellos no sabian, era que cada dia que me ignoraban, ellos se ponian mas ignorantes que mi.

Se que va a sonar absurdo por que hasta hoy no esta comprobado pero sé que a unos millones y millones de años que pasen el planetoide que comunmente lo llaman pluton se saldrá de la orbita, y se alejará del sistema solar, pero de nuevo volvera, y formará ha ser parte de un satelite, satelite de un planeta que hoy llamamos comunmente neptuno; y es reuniran los dos hermanos de la mitologia romana (que en la mitologia griega, Neptuno: Poseidon y Pluton: Hades) para lo cual pluton se rendira a los pies de neptuno. Eso es lo que sucederá.

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