Qué no es la Energía Oscura

 

Seguimos sin saber qué es, pero ahora sabemos un poco mejor qué no es.

Después de casi un siglo sin poder describir matemáticamente un agujero negro realista dentro de un universo en expansión, Antonio Peña Peña Científico e Ingeniero de Datos de la Universidad Autónoma de Madrid ha obtenido una solución exacta de las ecuaciones de Einstein que conectan los agujeros negros de Kerr con la cosmología de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW). El trabajo, publicado en Physics Letters B , no encuentra indicios de que los agujeros negros crezcan acoplados a la expansión del universo, una hipótesis planteada en los últimos años como posible vínculo entre estos objetos y la energía oscura. Ha obtenido una nueva solución exacta de las ecuaciones de Einstein que describe el campo gravitatorio de una masa en rotación situada en un universo en expansión. El resultado, publicado en la revista Physics Letters B, conecta la descripción de los agujeros negros de Kerr con la cosmología de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), el marco utilizado para representar un universo homogéneo e isótropo a gran escala. El estudio aborda así un problema abierto desde hace nueve décadas; a saber, cómo describir dentro de la Relatividad General un agujero negro en rotación ubicado en un universo que se expande.

La relatividad general de Albert Einstein es, sin duda, una de las construcciones intelectuales más formidables de la historia. Nos ha permitido predecir desde las ondas gravitacionales hasta la existencia de los agujeros negros, pero las matemáticas que la sustentan son tan complejas que, a menudo, los físicos tienen que hacer "trampas" analíticas para que las ecuaciones cuadren, simplificando los escenarios. Hasta ahora sabíamos describir matemáticamente un agujero negro que rota y también sabíamos describir un universo en expansión. Lo que no se había logrado desde hace casi 90 años era unir ambas cosas en una sola métrica exacta. Eso es lo que hizo Antonio Peña Peña en este paper.

La nueva solución matemática desarrollada en la UAM es un triunfo de la elegancia teórica porque funciona a la perfección en todos los límites:

Si le quitas la expansión al universo, la fórmula se convierte exactamente en la solución de Kerr.

Si le quitas la rotación al agujero negro, recuperas la métrica de McVittie.

En el abstract, Peña dice lo siguiente.

“Presentamos una nueva solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein que unifica el agujero negro de Kerr con la cosmología de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker. Esta métrica se reduce a la de Kerr-de Sitter en el límite apropiado y explica la dinámica de expansión cosmológica tanto dentro como fuera del agujero negro. El modelo predice una masa estacionaria, así como una ergosfera y un horizonte de sucesos que se contraen con respecto al marco de referencia cósmico en expansión. Este resultado generaliza correctamente la métrica de McVittie a masas rotatorias o la de Kerr-de Sitter a factores de escala arbitrarios a(t). Además, encontramos que la ergosfera tiende a desvanecerse con respecto a la expansión del universo y que no hay interacciones adicionales de la energía oscura con respecto a la rotación del agujero negro.”

Esta última conclusión es muy importante, tiene consecuencias directas y muy profundas sobre cómo entendemos el cosmos hoy en día. En los últimos años, había cobrado mucha fuerza la hipótesis que es el "acoplamiento cosmológico". Algunos teóricos sugerían que los agujeros negros estaban acoplados a la expansión del universo, es decir, a medida que el universo se expandía, los agujeros negros crecían en masa sin necesidad de engullir nueva materia. Bajo esta premisa teórica, los agujeros negros podrían ser la fuente de la misteriosa energía oscura que acelera la expansión del cosmos. Sin embargo, este trabajo demuestra la imposibilidad de esta idea, puesto que, al aplicar la nueva métrica exacta, la conclusión de Peña apunta que la masa del agujero negro no crece acoplada a la expansión del universo.

En síntesis, seguimos sin saber qué es la energía oscura (dark energy, DE), pero ahora sabemos un poco más qué no es. Y así es como la ciencia avanza, afinando los alcances y aplicabilidad de las diferentes hipótesis hasta que, al final del proceso, es posible encontrar aquella que realmente encaja con la realidad.