Un estudiante de la UAM encuentra una nueva solución de las ecuaciones de Einstein sobre agujeros negros en expansión
Un estudiante de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha logrado un avance teórico de gran relevancia en el campo de la física fundamental al obtener una nueva solución exacta de las ecuaciones de Einstein. El trabajo, publicado en la revista Physics Letters B, describe cómo se comporta un agujero negro en rotación dentro de un universo en expansión y descarta, dentro del marco de la Relatividad General, que estos objetos crezcan al ritmo de la expansión cósmica.
Antonio Peña Peña, estudiante de la Escuela Politécnica Superior de la UAM, ha desarrollado una nueva métrica que conecta dos de los pilares de la física moderna: la solución de Kerr, utilizada para describir agujeros negros en rotación, y el modelo cosmológico de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), que representa un universo homogéneo e isótropo a gran escala.
La investigación aborda un problema que permanecía sin resolver desde hace casi nueve décadas: cómo describir matemáticamente un agujero negro que gira sobre sí mismo y que, al mismo tiempo, está inmerso en un universo que se expande.
Hasta ahora, la métrica de Kerr había permitido estudiar con gran precisión el entorno de los agujeros negros rotatorios, aunque bajo una condición simplificadora: asumir que el espacio-tiempo lejano al objeto es plano y estático. Sin embargo, esta hipótesis no refleja la realidad cosmológica, ya que el universo se encuentra en expansión constante.
El debate sobre el posible crecimiento de los agujeros negros
La cuestión adquirió especial relevancia en 2023, cuando un grupo internacional de investigadores propuso que los agujeros negros podrían experimentar un crecimiento ligado directamente a la expansión del universo mediante un mecanismo denominado "acoplamiento cosmológico".
Según aquella hipótesis, estos objetos compactos podrían aumentar de tamaño sin necesidad de absorber materia o fusionarse con otros agujeros negros. De confirmarse, este fenómeno podría estar relacionado con la energía oscura, la misteriosa componente responsable de la aceleración de la expansión cósmica.
Sin embargo, faltaba una base teórica sólida que sustentara esa posibilidad dentro de las ecuaciones de Einstein. La nueva solución desarrollada en la UAM aporta precisamente el marco matemático que permitía poner a prueba dicha idea.
Los resultados descartan un crecimiento ligado a la expansión
La métrica obtenida por Peña reproduce la solución de Kerr en las condiciones adecuadas, coincide con la métrica de McVittie cuando desaparece la rotación y se aproxima al modelo cosmológico FLRW a grandes distancias.
Tras analizar sus propiedades, el investigador concluye que la masa del agujero negro permanece constante y no aumenta como consecuencia de la expansión del universo.
Según explica el autor, los resultados no muestran ningún indicio de que los agujeros negros de Kerr puedan crecer al ritmo requerido por la hipótesis del acoplamiento cosmológico.
El estudio también revela que un observador situado cada vez más lejos percibiría el agujero negro como progresivamente más pequeño. Asimismo, la denominada ergosfera —la región donde la rotación del agujero negro arrastra el espacio-tiempo circundante— parecería desvanecerse a grandes distancias.
No obstante, el investigador aclara que se trata únicamente de un efecto visual derivado de la expansión cósmica y del alejamiento del observador. Para quien se encontrara cerca del agujero negro, sus propiedades permanecerían inalteradas.
Un avance con implicaciones para la energía oscura
Las conclusiones del trabajo reducen el respaldo teórico a la idea de que los agujeros negros puedan constituir una fuente de energía oscura dentro del marco de la Relatividad General.
Según la nueva solución, la teoría de Einstein no permite que los agujeros negros rotatorios crezcan de forma natural debido a la expansión del universo. Por ello, si futuras observaciones astronómicas detectaran un comportamiento compatible con esa hipótesis, sería necesario buscar explicaciones en procesos astrofísicos todavía desconocidos o incluso en nuevas teorías físicas que vayan más allá de la Relatividad General.
El propio investigador subraya que los indicios observacionales disponibles hasta la fecha siguen siendo insuficientes para establecer conclusiones definitivas y que serán necesarias muestras más amplias y precisas para determinar si existe algún mecanismo adicional que afecte a la evolución de estos objetos extremos.
Un logro científico con sello madrileño
La publicación del trabajo en una de las revistas internacionales de referencia en física de altas energías supone un importante reconocimiento para la investigación desarrollada en la Universidad Autónoma de Madrid y pone de manifiesto el potencial de los jóvenes investigadores españoles en áreas de frontera como la cosmología y la gravedad relativista.
La nueva solución exacta no solo aporta una herramienta matemática largamente buscada por la comunidad científica, sino que también ayuda a comprender mejor la relación entre algunos de los fenómenos más enigmáticos del universo: los agujeros negros, la expansión cósmica y la energía oscura.