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Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein predicen una extraña 'estrella de muñeca rusa'

Una solución recientemente desarrollada a la ecuación central de la teoría más revolucionaria de Albert Einstein sugiere que estrellas hipotéticas llamadas «nestars» podrían estar formadas por estrellas gravitacionales apiladas, o «gravastars», como la muñeca rusa de té, también conocida como muñeca matrioska rusa.

Una de las cosas más impresionantes de la teoría de la gravedad (relatividad general) de Einstein de 1915 es cuántos objetos cósmicos increíbles predice su ecuación central.

Además de predecir que la gravedad surge de objetos masivos que curvan el tejido del espacio-tiempo, la relatividad general también dio lugar a la teoría de los agujeros negros y las ondas que crean en el tejido del espacio-tiempo, llamadas ondas gravitacionales. La observación ha confirmado que ambas cosas existen; sin embargo, los anti-agujeros negros llamados agujeros blancos y los «agujeros de gusano» que pueden vincularlos con los agujeros negros son otras ideas basadas en la relatividad general que todavía son puramente teóricas. Sólo el tiempo dirá si Einstein puede volver a tener razón en este sentido.

En este sentido, otra idea teórica que surgió de la teoría general de la relatividad en 2001 fue el concepto de «estrellas gravitacionales», objetos compactos con núcleos de energía oscura. La energía oscura es una fuerza que parece estar acelerando la expansión del universo. Los científicos creen que en las estrellas gravitacionales, la energía oscura ejerce una presión negativa que protege a la estrella de su propia gravedad interior.

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Ahora, una nueva solución a la relatividad general sugiere otro aspecto interesante de esta llamada estrella de gravedad. Se pueden apilar uno encima del otro para formar una serie de «estrellas nido».

«Nestar es como una muñeca matrioska rusa; nuestra solución a las ecuaciones de campo permite que surja una serie de Gravastars anidadas», dijo en un comunicado Daniel Jampolski, físico teórico de la Universidad Goethe y uno de los desarrolladores de la solución.

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Comprender las estrellas de Grava (similares a los agujeros negros, pero diferentes)

Apenas un año después de que la Relatividad General fuera presentada a la comunidad científica en general, mientras servía en el frente de batalla en la Primera Guerra Mundial, el físico alemán Karl Schwarzschild propuso las primeras soluciones a sus ecuaciones de campo, incluso Esto sorprendió a Einstein porque creía que la solución tomaría un tiempo. largo tiempo. años de desarrollo.

Había dos características de la solución de Schwarzschild que finalmente dieron origen al concepto de agujeros negros. El físico alemán predijo que a un cierto radio de un objeto con masa, la velocidad necesaria para escapar del objeto debe aumentar hasta superar la velocidad de la luz.

Para la mayoría de los objetos, este llamado radio de Schwarzschild se encuentra en lo profundo de su superficie. El Sol, por ejemplo, está a 3 kilómetros (1,9 millas) del centro de la estrella, y el radio total de la estrella es de 700.000 kilómetros (434.000 millas). Pero si una estrella pudiera colapsar y su radio se redujera por debajo del radio de Schwarzschild, se crearía un objeto con un límite exterior del que ni siquiera la luz podría escapar. Esto llevó al concepto de horizonte de sucesos de un agujero negro.

Aún más extraño, la solución de Schwarzschild sugiere que puede haber un punto en el que la materia sea tan densa que las propias ecuaciones de la relatividad general deban descomponerse. Esto se conoce como la singularidad central de un agujero negro y todas las teorías físicas conocidas ya no tienen ningún sentido.

Estos conceptos se verificaron cuando los humanos descubrieron el primer agujero negro en 1971, y luego, en la década de 2000, se descubrió que la potente fuente de radio en el centro de la Vía Láctea es de hecho un agujero negro supermasivo con una masa de 4,5 millones de veces la del Sol. Este vacío gigante en nuestra galaxia se llama Sagitario A* (Sgr A*).

La forma visual de los agujeros negros descrita por la relatividad general también recibió una increíble confirmación en 2019, cuando la colaboración del Event Horizon Telescope presentó al público imágenes del anillo de material luminoso que rodea el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia Messier 87.

El Telescopio Event Horizon capturó una imagen del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87, confirmando la imagen del agujero negro descrita por la relatividad general. (Fuente de la imagen: Colaboración EHT)

Las gravastars, o «estrellas gravitacionales condensadas», son una teoría propuesta por Pawel Mazur y Emil Mottola en 2001 como alternativa a los agujeros negros.

Desde la perspectiva de un físico teórico, las estrellas gravitacionales tienen varias ventajas sobre los agujeros negros. Son casi tan compactos como los agujeros negros, y la influencia gravitacional sobre sus superficies es esencialmente tan fuerte como la de los agujeros negros, por lo que existe una gran similitud. Sin embargo, existen algunas diferencias clave. Por un lado, las gravistares no tienen horizontes de sucesos, por lo que no sellan la luz y la información detrás de una «pantalla» unidireccional. En segundo lugar, no habría ninguna singularidad en el corazón de Grava, sino un corazón que se cree que contiene energía oscura.

La fórmula de Gravastar ideada por Mazur y Mottola incluía una capa casi infinitamente delgada de material ordinario, un fenómeno que los científicos encontraron difícil de explicar. Nestas eliminó esto, argumentando que los trozos «apilados» darían como resultado una capa exterior de la sustancia ligeramente más gruesa.

«Es más fácil imaginar que algo así pueda existir», afirmó Jampolski.

Sin embargo, por supuesto, el hecho de que las ecuaciones de campo de la relatividad general permitan que exista algún objeto en el universo no significa que ese objeto deba existir.

«Desafortunadamente, todavía no sabemos cómo crear una estrella de gravedad», dijo en un comunicado Luciano Rezzolla, físico teórico de la Universidad Goethe, quien co-desarrolló la teoría de Nesta. «Pero todavía no sabemos cómo crear «Incluso si la estrella nido no existe, explorar las propiedades matemáticas de estas soluciones nos ayudará en última instancia a comprender mejor los agujeros negros».

Incluso si la teoría principal fracasa, dicha investigación es útil porque revela las curiosas formas en que surgió una teoría considerada por primera vez hace más de un siglo.

«La buena noticia es que incluso 100 años después de que Schwarzschild propusiera las primeras soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein a partir de la relatividad general, todavía es posible encontrar nuevas soluciones», concluyó Rezzola. «Es un poco como encontrar monedas de oro en un camino que muchos otros han explorado».

La investigación fue publicada el 15 de febrero en la revista Classical and Quantum Gravity.

Publicado originalmente en Space.com.

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