Agujeros Negros: ¿Cómo se colapsa un objeto tridimensional en una singularidad y dónde va la materia?

Question

Un agujero negro surge como resultado del colapso del núcleo de estrellas enormes, las cuales pierden una gran cantidad de masa en una explosión de supernova. Sin embargo, los agujeros negros supermasivos siguen siendo enormemente masivos por cualquier medio.

No obstante, la teoría nos dice que el objeto en realidad colapsa hasta convertirse en un punto/singularidad en el núcleo. Si el objeto tiene que ser un punto, ¿dónde se fue toda la masa? ¿Se convierte en energía y se expulsa en explosiones de rayos gamma, etc.? (y si es así, ¿qué forma la masa de un agujero negro? ¿Está toda concentrada en ese punto?)

¿Acaso estoy equivocado conceptualmente y la singularidad solo representa un punto de gravedad infinita con materia girando más allá de nuestra capacidad de observación más allá del horizonte de eventos?

Answer 1

Hay marcos en física, marcos dimensionales y marcos energéticos.

Está el marco clásico que tiene teorías clásicas de mecánica y electrodinámica, etc., donde las dimensiones son compatibles con las medidas de metros/segundos/kilogramos.

Está el marco cuántico que tiene mecánica cuántica, electrodinámica cuántica y teoría cuántica de campos. Su marco está en dimensiones menores a un nanómetro y energías compatibles con h_bar ~ 1*10^-34 J segundo.

Está el marco de la relatividad especial adyacente al marco mecánico cuántico

Está el marco de la relatividad general para dimensiones en años luz y masas del orden de estrellas.

Cada marco está modelado matemáticamente con ecuaciones diferenciales y soluciones a estas ecuaciones diferenciales. Los potenciales y las soluciones debido a la naturaleza de las ecuaciones matemáticas pueden tener singularidades.

Por ejemplo, el potencial 1/r de la electricidad y el magnetismo clásicos nos lleva a que en r=0 existe una singularidad para el problema clásico. No hay átomo de hidrógeno. Pero para llegar a r=0 las dimensiones van a menos de un nanómetro, y el marco apropiado es el marco mecánico cuántico, y he aquí que no hay singularidades y tenemos el átomo en un estado cuántico estable.

Cuando una solución de relatividad general da una singularidad, nuevamente las dimensiones van al marco de la mecánica cuántica. No tiene sentido preocuparse en términos de relatividad general. Desafortunadamente, el campo gravitatorio no ha sido cuantificado de manera consistente, existen teorías efectivas de campo pero aún no se puede saber qué sucede en el r=0 correspondiente. Se puede especular con el principio de incertidumbre de Heisenberg, pero hasta que exista una teoría consistente de gravedad cuantizada, la afirmación es "no sabemos qué sucede en la singularidad", esperamos que pronto la teoría se extienda para que un modelo cuantizado de gravedad sea aplicable y ya no haya una singularidad en el sentido clásico.

En el modelo del Big Bang se ha introducido la cuantización efectiva inmediatamente después de la singularidad de la solución de la relatividad general, con el campo inflaton, y los datos de microondas cósmicas ajustan al modelo. Paciencia, los molinos de la física pueden moler lentamente pero muelen extremadamente fino.

Answer 2

La respuesta simple es que la relatividad general no nos dice, de hecho no puede hacerlo, qué sucede con la materia cuando está toda comprimida en la singularidad.

Comúnmente describimos los agujeros negros utilizando la métrica de Schwarzschild porque es una métrica relativamente simple. Sin embargo, la métrica de Schwarzschild solo describe el resultado final y no nos dice nada sobre cómo se formó el agujero negro. Lo más parecido que tenemos a una descripción analítica de la formación de un agujero negro es la métrica de Oppenheimer-Snyder que describe una bola colapsante de polvo. A medida que la bola colapsa, la densidad aumenta, y a medida que la bola se acerca a la singularidad, la densidad aumenta hacia el infinito.

El problema es que la métrica de Oppenheimer-Synder es singular en la singularidad, al igual que la métrica de Schwarzschild. Esto significa que la métrica no puede describir lo que sucede en la singularidad. Podemos acercarnos a la singularidad tanto como queramos, y a medida que lo hacemos la bola de polvo se vuelve más y más densa. Sin embargo, no podemos calcular lo que sucede en la singularidad en sí misma.

La interpretación obvia es que en la singularidad toda la materia sigue allí, simplemente comprimida en un punto de volumen cero y densidad infinita. Sin embargo, debo enfatizar que nadie cree que esto realmente suceda. Esperamos que la gravedad cuántica sea importante en estas densidades y tamaños muy pequeños, y esperamos que la gravedad cuántica evite que la densidad se vuelva infinita. Lamentablemente, no tenemos una teoría de gravedad cuántica, por lo que nadie sabe exactamente qué sucede con la materia.