Agujero blanco

La imagen especular de un agujero negro: cómo se podría hacer uno y qué aspecto tendría

Una hipótesis: la física lo permite sobre el papel, pero nadie lo ha visto nunca. Todo sigue la teoría tal como es hoy.

Paso a paso

Un agujero negro, al revés

Las ecuaciones de la relatividad general funcionan igual en ambos sentidos del tiempo. Pasa la historia de un agujero negro al revés y tienes un agujero blanco: algo en lo que nada puede entrar y que expulsa materia.

Un agujero negro es un lugar del que nada, ni siquiera la luz, puede salir. A las ecuaciones de Einstein no les importa en qué sentido corre el tiempo, así que tienen una solución especular: un agujero blanco, del que salen cosas y en el que nada puede entrar. Igor Novikov propuso en 1964 que esos objetos podrían existir de verdad.

Desde lejos los dos se parecen. La gravedad fuera de un agujero blanco es la misma que fuera de un agujero negro de la misma masa, así que la luz se curva a su alrededor igual y los planetas lo orbitarían igual. La diferencia está en el borde: en el horizonte de un agujero negro todo entra, en el de uno blanco todo sale.

Nunca se ha encontrado un agujero blanco. Todo esto es teoría: la imagen es un agujero negro de diez soles, de 59 km de lado a lado, y lo que sigue es lo que dicen las ecuaciones sobre su imagen especular.

Un mapa, cuatro regiones

La solución completa de las ecuaciones de Einstein para un agujero negro solitario tiene cuatro regiones: nuestro universo, un agujero negro, un agujero blanco y otro universo. El agujero blanco está en el pasado, el agujero negro en el futuro.

En 1960 Kruskal y Szekeres hallaron el mapa completo del espacio alrededor de un agujero negro. Dibujado como un diagrama en el que la luz siempre viaja a 45 grados, es un cuadrado cortado por sus dos diagonales en cuatro triángulos. Nuestro universo está a la derecha y el tiempo corre hacia arriba.

Todo lo que cae desde nuestro universo pasa a la región de arriba, el agujero negro. Todo lo que ha salido alguna vez del agujero blanco lo hizo desde la región de abajo, en el pasado. Nada de nuestro universo puede entrar en el agujero blanco, porque eso significaría volver atrás en el tiempo.

Un agujero negro formado por una estrella que colapsa no tiene región de agujero blanco: la superficie de la estrella corta el mapa, y el agujero blanco y el segundo universo nunca están ahí. Por eso un agujero blanco necesita su propia historia de cómo podría formarse.

Cómo se podría hacer uno

Nada conocido lo produce. Una idea: una estrella que colapsa alcanza el estado más denso que permite la gravedad cuántica, rebota, y el agujero negro se convierte en un agujero blanco. El rebote está dibujado.

La teoría de Einstein dice que la materia de un agujero negro colapsa hasta un punto de densidad infinita, algo en lo que casi nadie cree. La gravedad cuántica de lazos, un intento de unir la gravedad con la física cuántica, dice que el espacio no se puede comprimir por debajo de un tamaño mínimo, así que el colapso se detiene y rebota: una estrella de Planck.

La otra idea es más antigua. Novikov sugirió en 1964 que algunas regiones del universo primitivo se retrasaron respecto a la expansión y estallaron tarde como agujeros blancos. Rovelli y Vidotto sostuvieron en 2018 que los diminutos restos de agujeros negros evaporados podrían ser agujeros blancos que constituyan parte de la materia oscura. Ninguno se ha visto.

La última milésima de segundo

Cuando una estrella colapsa en un agujero negro, su superficie, vista desde lejos, se arrastra hacia el horizonte, se enrojece y se apaga un factor e cada cuarto de milisegundo, para diez soles (Ames y Thorne, 1968). Al revés, es un agujero blanco abriéndose: un disco oscuro, luego un tenue brillo rojo que se intensifica y se vuelve blanco azulado.

Es una solución exacta, el colapso de una bola de polvo al revés (Oppenheimer y Snyder, 1939). La superficie de la estrella saldría de la sombra, al principio exactamente en el horizonte y luego cada vez más arriba, hasta que toda la sombra se llenara de luz.

Así que la sombra no permanece negra mucho tiempo: la luz que quedaría atrapada puede salir de un agujero blanco. Cada parte de este paso está dibujada a partir de las ecuaciones. Nadie ha visto nada parecido.

No puede durar

Nada puede caer en un agujero blanco, pero todo lo que está cerca lo intenta. En 1974 Eardley mostró que la luz que cayera hacia uno se amontonaría en su borde, ganaría energía sin límite y lo convertiría en un agujero negro.

El horizonte de un agujero blanco solo se puede abandonar, nunca cruzar en sentido contrario. Pero la materia y la luz de fuera siguen moviéndose hacia él, atraídas por su gravedad, y no pueden entrar. Así que se juntan en el horizonte, como el tráfico ante una puerta cerrada.

Visto desde la materia que sale del agujero blanco, este gentío de recién llegados se comprime y se desplaza al azul sin límite. Douglas Eardley mostró en 1974 que incluso la caída más débil lleva energía suficiente para hacer colapsar el agujero blanco en un agujero negro. Ese mismo año Zel'dovich, Novikov y Starobinskii hallaron una segunda inestabilidad, por efectos cuánticos.

Por eso no se espera un agujero blanco eterno: si se formara uno, duraría poco. La capa azul pálido dibujada aquí representa la luz que cae; no se puede ver.

Un agujero blanco que se puede construir

Se puede hacer un agujero blanco para olas. En 2011 Weinfurtner y sus colegas enviaron olas contra una corriente rápida en un canal de agua: donde la corriente las superaba, se detenían, como la luz en el borde de un agujero blanco.

Las olas del agua viajan a una velocidad que depende de su longitud. Haz que el agua fluya más rápido sobre un montículo suave, y las olas largas que suben contra la corriente se frenan hasta que la corriente iguala su velocidad. Ahí no pueden seguir: un borde que las olas no pueden cruzar, como el horizonte de un agujero blanco para la luz.

En ese borde las olas largas se convierten en cortas, el análogo de lo que le ocurre a la luz en un agujero blanco. El equipo de Silke Weinfurtner lo midió en 2011 (Physical Review Letters) y halló que la conversión tenía el carácter térmico que se predice para la radiación de Hawking. Rousseaux y sus colegas habían visto una conversión parecida en un tanque en 2008.

No es un agujero blanco de verdad: no hay gravedad ni luz, solo agua. Pero las matemáticas son las mismas, y por eso se usan esos tanques para poner a prueba ideas sobre agujeros negros y blancos. Las olas y la corriente aquí están dibujadas.

¿Fue el Big Bang un agujero blanco?

A la mayor escala el Big Bang se parece a un agujero blanco: un estallido de materia desde un punto. Algunos físicos piensan que nuestro universo es el interior de un agujero negro que rebotó. El rebote está dibujado.

El interior de una bola de polvo que colapsa es un universo cerrado al revés, como hallaron Oppenheimer y Snyder en 1939. Pásalo hacia delante en cambio y la bola es un universo en expansión que parte de un punto: un Big Bang. Las dos son la misma matemática, cada una espejo de la otra.

En 1972 Raj Pathria sugirió que nuestro universo podría ser el interior de un agujero negro en otro mayor. Nikodem Popławski propuso en 2010 una versión en la que el espín y la torsión detienen el colapso dentro de cada agujero negro y lo hacen rebotar en un nuevo universo en expansión.

Son ideas, no resultados. Nada que podamos medir las distingue del Big Bang estándar, y el universo real se expande por todas partes a la vez, no en un estallido desde un solo lugar.

¿Alguien ha visto uno?

No. Algunas ideas dicen que agujeros blancos diminutos podrían estar destellando ahora como estallidos rápidos de radio, o escondidos como materia oscura, pero ninguna señal se ha atribuido a uno. Un agujero blanco sigue en las ecuaciones.

Barrau, Rovelli y Vidotto sugirieron en 2014 que un agujero negro formado en el universo primitivo podría rebotar hoy en un agujero blanco y emitir un estallido de ondas de radio. Los estallidos rápidos de radio, destellos de milisegundos de origen desconocido, tienen longitudes de onda no lejanas de lo que estimaron. Es una conjetura sobre su causa, sin pruebas detrás.

Rovelli y Vidotto sostuvieron en 2018 que agujeros blancos del tamaño de Planck, que quedan cuando los agujeros negros diminutos terminan de evaporarse, podrían constituir parte de la materia oscura. Tales objetos serían demasiado pequeños para verlos directamente.

Así que un agujero blanco está donde empezó: una imagen especular en las ecuaciones, sin observación que lo necesite y con una buena razón por la que podría no durar. Los tanques muestran que las matemáticas son correctas; si la naturaleza llega a hacer uno sigue abierto.