Ilustración de un agujero negro.
Ilustración de un agujero negro. | Fuente: NASA

Desentrañar las propiedades y el comportamiento del universo en los agujeros negros, donde el espacio-tiempo se curva rudamente, nos enfrenta a desafíos insólitos. Estamos ante los aspectos cuánticos de la gravedad. En ellos buscamos señales de otras dimensiones más allá de las cuatro que percibimos.

¿Por qué creemos que podrían existir?

La gravedad, una fuerza tan familiar, resulta que no encaja en las fórmulas clásicas de la física conocida. No podemos explicar por qué es mucho más débil que las otras fuerzas fundamentales. Explicar esta rareza, la debilidad de la gravedad, nos ha llevado a buscar esas señales de otras dimensiones. Estas dimensiones extra podrían estar afectándola y ser la razón de su debilidad. Así, los jets, materia que expulsan los agujeros negros, pueden ser la clave para encontrar señales de la existencia de esas dimensiones.

Si encontramos evidencia de exóticas dimensiones del espacio-tiempo más allá de las cuatro que percibimos (tres espaciales y una temporal) podríamos caracterizar la gravitación, entenderla, y resolver algunos de los misterios más profundos de la ciencia, entre ellos, la expansión del universo.

La imagen muestra el flujo de materia hacia un agujero desde un disco de acreción. ESA / NASA / Felix Mirabel, CC BY

Dimensiones muy grandes o muy pequeñas

Si existen otras dimensiones, no deberían tener efecto en el día a día de nuestras vidas. Sin embargo, manejamos teorías en las que las dimensiones extras del espacio tiempo son necesarias para unificar la física tal y como la conocemos.

La teoría de cuerdas postula la existencia de al menos 10 dimensiones. Se asumen las tres dimensiones espaciales conocidas, el tiempo y otras seis que se supone que forman un espacio muy muy pequeño o muy muy grande.

Las dimensiones extra podrían ser tan pequeñas (por debajo de la escala de Planck casi a 10 ⁻ ³ ⁵ metros) que son imperceptibles con la precisión alcanzada por los actuales experimentos más avanzados, como los que se realizan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés). O bien muy grandes, de tal forma que no tendríamos acceso porque estamos restringidos a vivir en una hoja cuatro dimensional dentro de ese universo de dimensiones extras. Es en este último escenario en el que hemos desarrollado un modelo para buscar los efectos de dimensiones extra en los jets emitidos por agujeros negros.

Los jets emitidos por agujeros negros

Un abundante número de agujeros negros en el universo emiten haces de materia relativista, conocidos como jets. La precisión en los últimos dos años con la que los telescopios han registrados datos sobre jets de agujeros negros es asombrosa –por ejemplo el telescopio espacial James Webb, el Telescopio del Horizonte de Sucesos y el Observatorio Espacial Europeo.

Con estos datos obtenidos, en una nueva propuesta teórica pendiente de publicación (ya disponible en arXiv) analizamos la posibilidad de los efectos de dimensiones extras en estos chorros de materia. Como la gravedad se espera que ocupe todas las dimensiones que existen, sus efectos podrían observarse en los jets. De ese modo, los haces de agujeros negros se convierten en canales especialmente prometedores para su detección.

¿Serán estos modelos la clave para desestimar o confirmar la existencia de dimensiones extras del espacio-tiempo?

La imagen muestra la dirección de giro detectada de las ondas de radio emitidas por el poderoso campo magnético que rodea el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia elíptica M87. Event Horizon Telescope Collaboration

Huellas de otras dimensiones

Para poder determinar los efectos de las dimensiones del espacio tiempo en haces de agujeros negros primero debemos construir soluciones a estos modelos.

Para ello, hemos creado el primer modelo para verificar cómo la potencial existencia de dimensiones adicionales afectaría a los haces de agujeros negros que actualmente observamos. Estas dimensiones extra, si existieran, ¿afectarían a la rotación del agujero negro? ¿Mermarían su eficacia para emitir haces de energía?

Jet emitido por la galaxia elíptica M87. NASA y The Hubble Heritage Team (STScI/AURA), CC BY

Aplicando el modelo, hemos encontrado dos efectos distintivos. Respecto a la rotación del agujero negro, encontramos igual dependencia que en 4D, y una eficacia menor en el flujo energético. Esto significa que a medida que los haces de energía emanados por los agujeros negros rotantes se propagan por las cinco dimensiones espacio-temporales del nuevo modelo, su potencia sigue teniendo la misma dependencia con el parámetro de rotación del agujero negro que en cuatro dimensiones. Así, ese aspecto un tanto inesperado de las soluciones no permite distinguir entre cuatro o cinco dimensiones. No nos sirve para demostrar la existencia de dimensiones extra.

El segundo efecto es más prometedor. Considerando la existencia de otras dimensiones, se produce una reducción de la eficacia del agujero para emanar haces de energía.

Para dar respuesta a la pregunta hay que añadir una dificultad adicional. Los jets tal y como se conocen actualmente tienen una eficacia mayor que la esperable según los modelos clásicos de cuatro dimensiones.

Esto parecería implicar que se deberían desestimar los modelos de dimensiones extras. Sin embargo, aún quedan muchos parámetros por contrastar. En los años venideros, los nuevos telescopios que actualmente están recolectando datos nos brindarán una mayor precisión para caracterizar la región de emisión de masa de los agujeros negros. Esperamos entonces poder realmente contrastar los modelos teóricos de dimensiones espacio-temporales que hemos creado.

Einstein demostró la existencia de agujeros negros con fórmulas matemáticas. Entonces eran solo soluciones ficticias sobre un papel. Décadas después, hemos podido probar su existencia incluso fotografiándolos. Del mismo modo, los modelos teóricos de un tipo u otro servirán para demostrar la existencia de otras dimensiones, o su inexistencia.

Quizá un día encontremos la primera puerta a otra dimensión en el jet de un agujero negro.The Conversation

Maria Jose Rodriguez, Investigadora, Instituto de Física Teórica (IFT - UAM - CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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