En 2019 el experimento EHT (Event Horizont Telescopy) mostró al mundo la primera "imagen" de un agujero negro. Los físicos sabían que los datos de las imagenes podian esconder información importante sobre el agujero negro, sobre relatividad general o incluso arrojar alguna información relevante sobre gravedad cuántica. Sin embargo, nadie podía aventurar que en esos datos podría esconderse uno de los secretos más importantes sobre los agujeros negros y la naturaleza del espacio-tiempo. Analizando minuciosamente los datos del EHT un grupo de físicos han realizado una propuesta realmente fascinante: el anillo de fotones que rodea el agujero negro puede esconder uno de los secretos más importantes de la gravedad cuántica, ese anillo de luz puede ser parte de la "pantalla holográfica" del agujero negro. De confirmarse, esta propuesta sería un avance extraordinario: por primera vez en la historia de la ciencia los físicos podrían observar directamente los efectos del llamado "principio holográfico" y podrían tener acceso a los secretos más profundos del espacio-tiempo.
Holografía y los microestados del agujero negro
El astrofísico indio Subramanian Chandrasekhar dijo una vez que los agujeros negros son los objetos más simples del Universo ya que pueden describirse completamente con solo tres magnitudes: la masa, la carga y el momento angular. Sin embargo, Stewen Hawking demostró posteriormente que estos objetos, cuando se consideran los efectos cuánticos, no son tan simples: estos radian energía y por tanto tienen una temperatura y un conjunto de microestados asociados. Hawking calculó el número de microestados y encontró una cantidad enorme: A/4 donde A es el área del horizonte en unidades de planck. Esto demostraba que los agujeros negros (AN) aunque clásicamente parecen objetos sencillos en realidad tienen una rica microestructura. Pero entonces, ¿Donde se encuentra este enorme número de microestados?
El primer candidato obvio a albergar esta estructura es el horizonte de sucesos o alguna zona interior del agujero negro cercana al horizonte. Sin embargo, ciertos trabajos basados en superficies extremas y holografía parecen indicar que todo objeto que caiga en el AN es desposeido de toda su información antes de caer en el mismo. Además varios cálculos teóricos sobre interacciones de partículas cerca del AN indican que los cálculos solo pueden ser correctos si incluimos también zonas exteriores al AN.
El denominado principio holográfico está basado en la dualidad AdS/CFT y establece que toda la información sobre la geometría del AN y sus microestados (geometría AdS) se encuentra almacenada en un sistema cuántico de campos conforme que posee una dimensión menor (CFT). Esto es similar al funcionamiento de un holograma: toda la información del holograma tridimensional está almacenada en una superficie bidimensional. La pregunta crucial que se han planteado los físicos es: ¿existe una zona tridimensional exterior al agujero negro que cumpla los requisitos necesarios para ser la "pantalla holográfica" del AN y que pueda por tanto almacenar toda la información del AN cuatridimensional? Aunque parezca increíble los físicos han encontrado un candidato prometedor: el anillo de fotones que rodea al agujero negro.
La correspondencia AdS/CFT implica que un espacio-tiempo AdS como el de un agujero negro de cuatro dimensiones es equivalente a un sistema cuántico conforme definido en el borde tridimensional del espacio-tiempo AdS. Ambos sistemas son equivalentes porque tienen el mismo grupo de simetrías fundamentales y por tanto están descritos por la misma física.
El anillo de fotones del agujero negro
Los fotones de luz que pasan cerca de un agujero negro son desviados debido a la gran curvatura del espacio-tiempo producida por los mismos. Existe un radio crítico por encima del cual los fotones podrán escapar del AN y por debajo del cual los fotones serán absorvidos para siempre. Cerca del radio crítico sucede un fenómeno extraordinario: los fotones girarán una y otra vez alrededor del agujero hasta que finalmente escapen o sean absorvidos. Justo en la esfera delimitada por el radio crítico la luz permanecería girando alrededor del AN para siempre. Si un astronauta se internara en la zona cercana al anillo de fotones del AN vería una "película" de todos los sucesos que han acontecido alrededor del AN, es decir, vería toda la historia del Universo vista desde el agujero negro (de hecho vería infinitas copias de cada objeto del Universo).
La zona cercana a la esfera de fotones es una zona muy especial: es la única zona con métrica nula fuera del agujero negro. Esto quiere decir que actua como una "superficie atrapada" donde la luz y las ondas gravitatorias quedan atrapadas (de hecho, esta zona tiene características similares a las del horizonte de eventos). Debido a esto, esta zona se comporta como la "zona de resonancia" del agujero negro: las vibraciónes de alta frecuencia procedentes del AN (este "vibra" al ser "perturbado" por la materia que cae en su interior hasta que vuelve a su estado de equilibrio) quedarán atrapadas en esta zona. Esto es similar a las resonancias emitidas cuando perturbamos (golpeamos) una campana: la campana vibra y emite ondas cuyas frecuencias son múltiplos de un valor concreto (la frecuencia de resonancia) que depende solamente de la geometría de la campana. Analizando estas frecuencias es posible calcular la geometría de la campana.
De forma similar, es posible averiguar gran parte de la información sobre la geometría del AN solamente observando el anillo de fotones. Sin duda, estas extraordinarias propiedades recuerdan a la CFT dual de un agujero negro AdS. ¿Hemos encontrado por fin la pantalla holográfica del agujero negro? Sin embargo, aún falta un ingrediente fundamental: la simetría conforme. ¿Sería posible encontrar esta simetría en alguna característica del anillo de fotones?
La simetría conforme del anillo de fotones
La invarianza conforme es una poderosa simetría que juega un papel muy importante en muchos campos de la física fundamental. En la dualidad AdS/CFT el acrónimo "CFT" significa "Conformal Field Theory" y hace referencia a una teoría de campos con simetría conforme. Básicamente, esta simetría implica que un sistema permanece invariante si lo observamos a diferentes escalas. Si analizamos la zona cercana a la esfera de fotones tenemos que las capas más cercanas al radio crítico han dado más vueltas alrededor del agujero negro que las capas más lejanas. Al estudiar la relación entre capas sucesivas del anillo obtenemos que están relacionadas mediante transformaciones del grupo de simetría SL(2,R) (en el espacio de fases). Esto implica una invarianza de escala entre capas sucesivas. Es difícil no trazar una conexión entre simetría conforme y holografía cuando encontramos una estructura como esta vinculada a un agujero negro.
Midiendo experimentalmente la pantalla holográfica del agujero negro
La dualidad AdS/CFT implica que ambos sistemas son físicamente equivalentes y por tanto puede establecerse un "diccionario holográfico" entre las magnitudes del espacio-tiempo AdS y las del sistema cuántico conforme CFT. A modo de ejemplo, algunas de las equivalencias serían las siguientes:
- La energía del flujo de renormalización en el lado CFT se corresponde con el radio del espacio-tiempo AdS del agujero negro.
- Los modos de vibración del AN correspondientes a los llamados modos quasinormales se corresponden con los puntos fijos de equilibrio (polos) de las funciones de correlación de la CFT.
- En ciertos modelos de teoría de cuerdas las posiciones en el espacio-tiempo AdS vienen dadas por el tipo de interacciones entre cuerdas en la CFT.
La pregunta que nos hacemos ahora es: ¿Sería posible comprobar si la esfera de fotones pertenece a la pantalla holografica del AN actuando físicamente sobre ella o sobre el AN? La respuesta, aunque teórica, parece ciencia-ficción: Arrojando objetos al agujero negro podríamos medir la respuesta en la pantalla holográfica y viceversa.
Recreación del anillo de fotones de un agujero negro (zona resaltada de color naranja)
Source: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman
El principio holográfico implica que, en teoría, sería posible la relación inversa: actuando sobre la pantalla holográfica (CFT) podríamos modificar las propiedades del AN (AdS).
Se espera que los próximos experimentos de observación de agujeros negros sean capaces de detectar el anillo de fotones y de medir ciertos parámetros del mismo. Estos parámetros podrían darnos pistas fundamentales sobre la física implicada en el principio holográfico.
Conclusiones
Esta fascinante propuesta que hemos analizado, de confirmarse, podría tener enormes repercusiones en distintos campos de la física fundamental. Además de poder confirmar las caracteristicas de la holografía, la dualidad AdS/CFT y la gravedad cuántica, tendría un gran impacto en la resolución de la paradoja de la información de los AN: parte de la información quedaría codificada en el anillo de forma holográfica. Esto podría ser un indicio que apunta en la misma dirección que recientes trabajos basados en la existencia de "islas" en las que se almacena la información del AN y que pueden estar situadas fuera del mismo (ver por ejemplo este artículo). Quizás la pregunta clave sería: ¿Cual es el mecanismo físico que permite codificar la información en el anillo de forma holográfica? ¿Que son los microetados del AN? ¿Son estos microestados los componentes fundamentales del espacio-tiempo?
Fuentes:
A black hole´s orbiting ring of light could encrypt it´s inner secrets , Holography of the Photon Ring