¿QUé ES UNA SINGULARIDAD?

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Desde que los científicos descubrieron por primera vez la existencia de agujeros negros en nuestro universo, todos nos hemos preguntado: ¿qué podría existir más allá del velo de ese terrible vacío? Además, desde que se propuso por primera vez la teoría de la Relatividad General, los científicos se han visto obligados a preguntarse, ¿qué pudo haber existido antes del nacimiento del Universo, es decir, antes del Big Bang?

Curiosamente, estas dos preguntas se han resuelto (de alguna manera) con la existencia teórica de algo conocido como Singularidad gravitacional, un punto en el espacio-tiempo donde las leyes de la física tal como las conocemos se rompen. Y aunque quedan desafíos y problemas sin resolver sobre esta teoría, muchos científicos creen que bajo el velo de un horizonte de eventos, y al comienzo del Universo, esto era lo que existía.

Definición:

En términos científicos, una singularidad gravitacional (o singularidad espacio-temporal) es una ubicación donde las cantidades que se utilizan para medir el campo gravitacional se vuelven infinitas de una manera que no depende del sistema de coordenadas. En otras palabras, es un punto en el que todas las leyes físicas son indistinguibles entre sí, donde el espacio y el tiempo ya no son realidades interrelacionadas, sino que se fusionan indistinguiblemente y dejan de tener un significado independiente.

Origen de la teoría:

Las singularidades se predicaron por primera vez como resultado de la Teoría de la relatividad general de Einstein, que resultó en la existencia teórica de agujeros negros. En esencia, la teoría predijo que cualquier estrella que llegara más allá de cierto punto en su masa (también conocido como el Radio Schwarzschild) ejercería una fuerza gravitacional tan intensa que colapsaría.

En este punto, nada sería capaz de escapar de su superficie, incluida la luz. Esto se debe al hecho de que la fuerza gravitacional excedería la velocidad de la luz en el vacío: 299,792,458 metros por segundo (1,079,252,848.8 km / h; 670,616,629 mph).

Este fenómeno se conoce como el Límite Chandrasekhar, llamado así por el astrofísico indio Subrahmanyan Chandrasekhar, quien lo propuso en 1930. En la actualidad, se cree que el valor aceptado de este límite es 1.39 Masas solares (es decir, 1.39 veces la masa de nuestro Sol), que funciona a la friolera de 2.765 x 10³⁰ kg (o 2.765 billones de billones de toneladas métricas).

Otro aspecto de la relatividad general moderna es que en el momento del Big Bang (es decir, el estado inicial del Universo) era una singularidad. Roger Penrose y Stephen Hawking desarrollaron teorías que intentaron responder cómo la gravitación podía producir singularidades, que finalmente se fusionaron para conocerse como los Teoremas de Singularidad de Penrose-Hawking.

Según el Teorema de la singularidad de Penrose, que propuso en 1965, se producirá una singularidad temporal dentro de un agujero negro siempre que la materia alcance ciertas condiciones de energía. En este punto, la curvatura del espacio-tiempo dentro del agujero negro se vuelve infinita, convirtiéndola en una superficie atrapada donde el tiempo deja de funcionar.

El teorema de la singularidad de Hawking se sumó a esto al afirmar que puede ocurrir una singularidad similar al espacio cuando la materia se comprime por la fuerza a un punto, lo que hace que las reglas que rigen la materia se rompan. Hawking trazó esto en el tiempo hasta el Big Bang, que según él era un punto de densidad infinita. Sin embargo, Hawking luego revisó esto para afirmar que la relatividad general se rompe en momentos anteriores al Big Bang y, por lo tanto, no se puede predecir ninguna singularidad.

Algunas propuestas más recientes también sugieren que el Universo no comenzó como una singularidad. Esto incluye teorías como Loop Quantum Gravity, que intenta unificar las leyes de la física cuántica con la gravedad. Esta teoría establece que, debido a los efectos de la gravedad cuántica, hay una distancia mínima más allá de la cual la gravedad ya no continúa aumentando, o que las ondas de partículas interpenetrantes enmascaran los efectos gravitacionales que se sentirían a distancia.

Tipos de singularidades:

Los dos tipos más importantes de singularidades espacio-temporales se conocen como Singularidades de Curvatura y Singularidades Cónicas. Las singularidades también se pueden dividir según estén cubiertas por un horizonte de eventos o no. En el caso de la primera, tiene la Curvatura y la Cónica; mientras que en este último, tienes lo que se conoce como Singularidades Desnudas.

Una singularidad de curvatura se ejemplifica mejor con un agujero negro. En el centro de un agujero negro, el espacio-tiempo se convierte en un punto unidimensional que contiene una gran masa. Como resultado, la gravedad se vuelve infinita y las curvas espacio-temporales infinitamente, y las leyes de la física tal como las conocemos dejan de funcionar.

Las singularidades cónicas ocurren cuando hay un punto donde el límite de cada cantidad de covarianza general es finito. En este caso, el espacio-tiempo se ve como un cono alrededor de este punto, donde la singularidad se encuentra en la punta del cono. Un ejemplo de tal singularidad cónica es una cuerda cósmica, un tipo de punto unidimensional hipotético que se cree que se formó durante el Universo temprano.

Y, como se mencionó, existe la Singularidad Desnuda, un tipo de singularidad que no se oculta detrás de un horizonte de eventos. Estos fueron descubiertos por primera vez en 1991 por Shapiro y Teukolsky utilizando simulaciones por computadora de un plano giratorio de polvo que indicaba que la Relatividad General podría permitir singularidades "desnudas".

En este caso, lo que realmente sucede dentro de un agujero negro (es decir, su singularidad) sería visible. Tal singularidad sería teóricamente lo que existía antes del Big Bang. La palabra clave aquí es teórica, ya que sigue siendo un misterio cómo se verían estos objetos.

Por el momento, las singularidades y lo que realmente se encuentra debajo del velo de un agujero negro sigue siendo un misterio. A medida que pasa el tiempo, se espera que los astrónomos puedan estudiar los agujeros negros con mayor detalle. También se espera que en las próximas décadas, los científicos encuentren una manera de fusionar los principios de la mecánica cuántica con la gravedad, y que esto arroje más luz sobre cómo opera esta fuerza misteriosa.

Tenemos muchos artículos interesantes sobre singularidades gravitacionales aquí en Space Magazine. Aquí hay 10 datos interesantes sobre los agujeros negros, ¿cómo sería un agujero negro ?, ¿fue el Big Bang solo un agujero negro ?, ¿adiós Big Bang, hola agujero negro ?, ¿quién es Stephen Hawking ?, y ¿qué hay al otro lado de un agujero negro?

Si desea obtener más información sobre la singularidad, consulte estos artículos de la NASA y Physlink.

Astronomy Cast tiene algunos episodios relevantes sobre el tema. Aquí está el Episodio 6: Más evidencia para el Big Bang, y el Episodio 18: Los agujeros negros grandes y pequeños y el Episodio 21: Preguntas de agujeros negros respondidas.

Fuentes: