Más allá del abismo: la física contemporánea reimagina los agujeros negros

Por primera vez, un grupo internacional de expertos se une para replantear los cimientos de la física de los agujeros negros. Su objetivo: superar el concepto de «singularidad» y construir un nuevo paradigma en el que los agujeros negros sean objetos regulares, comprensibles y observables.

Por Enrique Coperías

Ilustración artística de un agujero negro regular rodeado por su disco de acreción, con luz curvada formando un anillo de fotones. A diferencia del modelo clásico, este objeto no contiene una singularidad central, sino una estructura interna finita, compatible con teorías de gravedad cuántica. Imagen generada con DALL-E

«Hic sunt leones», dice el físico Stefano Liberati, director del Instituto de Física Fundamental del Universo (IFPU) y uno de los autores del artículo sobre agujeros negros que aparece publicado en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Esta expresión latina significa literalmente «aquí hay leones», pero su significado va más allá de la traducción literal. Históricamente, esta frase se utilizaba en los mapas antiguos, especialmente durante la Edad Media y el Renacimiento, para señalar territorios inexplorados o peligrosos.

En la física actual, ese territorio ignoto es la singularidad central de un agujero negro estándar: un punto donde la densidad se vuelve infinita y la relatividad general deja de tener sentido.

Recordemos que la relatividad general es la teoría de la gravedad propuesta por Albert Einstein en 1915, y afirma que la gravedad no es una fuerza como tal, sino una curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía: los objetos masivos deforman el espacio-tiempo, y esa deformación guía el movimiento de otros cuerpos.

Un nuevo paradigma en gestación

Desde que el físico, astrónomo y matemático alemán Karl Schwarzschild encontró en 1916 la primera solución exacta a las ecuaciones de Einstein, la idea de que existen regiones del universo donde la luz no puede escapar ha fascinado a generaciones de científicos. Pero con esa solución también vino el problema: el centro del agujero negro presentaba una curvatura infinita del espacio-tiempo.

Esta es una zona increíblemente insólia donde las leyes conocidas de la física se desintegran. ¿Significa eso que hay un punto final del conocimiento? Para muchos, aceptar la singularidad es, en palabras de Liberati, «una forma de rendirse». Y la ciencia no se deja fácilmente torcer el brazo.

En noviembre de 2024, un grupo multidisciplinario de investigadores se reunió durante una semana en el Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU), en la ciudad italiana de Trieste, para debatir y explorar un cambio de paradigma: reemplazar la noción de agujeros negros con singularidad por una física no singular del colapso gravitacional. El resultado fue un informe colaborativo que resume tanto los avances recientes como los desafíos que aún persisten en este campo.

Lejos de ser una simple revisión bibliográfica, el artículo es un reflejo de las conversaciones, debates e incluso desacuerdos entre los participantes del encuentro. «En muchos temas había posturas enfrentadas —comenta Liberati en un comunicado del Sissa Medialab. Y añade—: Pero el verdadero valor estuvo en esas discusiones. Algunos salieron del taller con ideas distintas a las que traían».

Tres caminos para entender lo oscuro

El artículo, titulado Towards a Non-singular Paradigm of Black Hole Physics, distingue tres modelos clave para estudiar los objetos extremadamente compactos del universo. Uno de ellos es el agujero negro estándar descrito por la relatividad general, que posee un horizonte de sucesos y una singularidad en su centro; es el modelo clásico que domina actualmente la cosmología y la física teórica.

El segundo modelo es el del agujero negro regular, que reemplaza la singularidad por un núcleo finito y regular, sin perder el horizonte de sucesos. Se trata de una deformación suave del modelo estándar que incorpora efectos cuánticos o correcciones geométricas.

Por último, el mimético de agujero negro o pseudoagujero negro es un objeto extremadamente compacto que imita externamente el comportamiento de un agujero negro, pero no tiene ni horizonte de sucesos ni singularidad. Puede poseer una superficie desde la cual la radiación podría escapar, aunque con gran dificultad debido a su intensa gravedad.

Ondas gravitacionales emitidas desde un pseudoagujero negro en el centro. Los colores más brillantes indican amplitudes más altas de las ondas. Los semicírculos se expanden con el tiempo a medida que las ondas se propagan hacia afuera. Crédito: Nils Siemonsen.

Sin horizontes de sucesos ni singuaridad

Uno de los puntos clave del nuevo paradigma es que estos modelos no se quedan en lo abstracto: existen propuestas teóricas sobre cómo podrían formarse estos tres objetos —el agujero negro estándar, el regular y el mimético— en contextos astrofísicos reales. En particular, se ha planteado que durante el colapso gravitacional de una estrella masiva, podrían activarse efectos físicos nuevos que alterarían el destino final del colapso, evitando de esta manera tanto la formación de un horizonte de sucesos como la aparición de una singularidad en el centro.

Estos efectos no son puramente especulativos. Algunas teorías sugieren que, bajo las condiciones extremas del colapso estelar, podrían producirse transiciones de fase, es decir, cambios abruptos en el estado de la materia o del espacio-tiempo, similares a los que ocurren cuando el agua se transforma en hielo, pero a escalas cósmicas.

Otras propuestas apuntan a la existencia de una repulsión cuántica, un fenómeno derivado de la gravedad cuántica, que actuaría como una fuerza opuesta a la compresión extrema, lo que impediría que la materia colapse en un punto de densidad infinita.

Gravastars, fuzzballs y agujeros negros con núcleo de tipo de Sitter

En estos escenarios, el resultado del colapso no sería necesariamente un agujero negro con singularidad, sino un objeto regular o mimético, cuya estructura interna estaría gobernada por leyes físicas aún en desarrollo, pero sin caer en contradicciones teóricas. Esto refuerza la idea de que los modelos alternativos a los agujeros negros clásicos no solo son consistentes desde el punto de vista matemático, sino que podrían emerger de procesos astrofísicos naturales, guiados por una física más completa que la relatividad general por sí sola.

Hay que señalar que modelos como los gravastars, las fuzzballs y los agujeros negros con núcleo de tipo de Sitter surgen en este contexto. De forma sencilla, podemos decir que los gravastars (gravitational vacuum stars) son objetos que evitarían la formación de un horizonte de sucesos y una singularidad mediante una fina capa de materia ultradensa que encierra un núcleo de energía de vacío, actuando como una alternativa estable al agujero negro clásico.

Por su parte, las fuzzballs, originadas en la teoría de cuerdas, reemplazan el interior del agujero negro por una maraña de cuerdas y branas que llena todo el volumen del objeto sin dejar espacio vacío, y elimina tanto el horizonte como la singularidad. Por último, en los modelos de agujeros negros con núcleo de tipo de Sitter la región central es sustituida por un espacio con energía positiva y expansión repulsiva, lo que suaviza la curvatura extrema y da lugar a un agujero negro regular, con horizonte pero sin colapso infinito en el centro.

Inestabilidades como brújula científica

Algunos de estos modelos se apoyan en la idea de que la densidad de energía de Planck marca un límite más allá del cual la curvatura se estabiliza. Otros se basan en propuestas de gravedad cuántica, como la gravedad de bucles o la seguridad asintótica, que modifican la dinámica del colapso en las etapas finales.

Incluso se considera la posibilidad de que un objeto mimético colapse por acreción y forme un agujero regular, o que un agujero regular evolucione hacia un mimético al perder su región atrapada. Pero aún queda mucho por entender sobre los mecanismos dinámicos que harían posible estas transiciones.

Las posibles inestabilidades de estos modelos no son necesariamente una debilidad. Más bien, los autores del estudio las consideran una brújula para la investigación. «Las inestabilidades nos ayudan a descartar configuraciones poco plausibles y a identificar cuáles podrían representar estados metaestables reales del universo», explica Liberati.

Por ejemplo, los agujeros negros regulares podrían volverse inestables en su interior debido a un fenómeno conocido como inflación de masa, mientras que los miméticos que giran muy rápido podrían desarrollar zonas turbulentas si no cuentan con mecanismos para disipar esa energía. También se estudian las perturbaciones en los anillos de fotones, estructuras que podrían desencadenar comportamientos caóticos o turbulentos si no están adecuadamente amortiguadas.

Un gravastar, un objeto teórico que podría existir en lugar de un agujero negro. En el centro se observa un vacío, rodeado por una fina capa de materia exótica. La existencia de los gravastars evitaría la formación de singularidades. Imagen generada con Gemini

Observaciones que pueden marcar la diferencia

Además, muchas de estas inestabilidades son cuánticas y otras puramente clásicas, lo que permite establecer escalas temporales muy distintas para cada fenómeno, y analizar su relevancia desde el punto de vista observacional.

Aunque las observaciones actuales —como las ondas gravitacionales detectadas desde 2015 por LIGO y Virgo, o las imágenes del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) en 2019 y 2022— han confirmado la existencia de objetos compatibles con agujeros negros, no nos dicen nada sobre lo que ocurre en su interior. No se puede ver la singularidad, ni verificar directamente la existencia del horizonte.

Sin embargo, los autores del artículo sostienen que tanto los agujeros negros regulares como los miméticos dejan huellas observables sutiles en el entorno exterior. Estas diferencias, si se detectan, podrían indicar qué tipo de objeto estamos observando:

✅ Anillos de fotones múltiples: los miméticos podrían producir más de un anillo visible debido a sus características de reflexión interna.

✅ Ecos gravitacionales: la ausencia de un horizonte podría provocar la reemisión de ondas atrapadas en el interior del objeto, generando ecos medibles tras la fase de ringdown. También conocida como fase de amortiguamiento, es la etapa final de una fusión de agujeros negros o de objetos compactos, justo después de que se han unido. En esta fase, el nuevo objeto formado vibra brevemente y emite ondas gravitacionales muy características, como una campana que suena tras ser golpeada y va perdiendo intensidad.

✅ Emisión térmica: los miméticos con superficie podrían emitir radiación térmica detectable en el infrarrojo, algo que no ocurre en un agujero negro clásico.

✅ Espectroscopía gravitacional: análisis finos de la señal tras una fusión podrían revelar desviaciones respecto al modelo de relatividad general, especialmente si se cuenta con detectores más sensibles como LISA, un proyecto conjunto de la ESA y la NASA para medir ondas gravitacionales.

Telescopios y herramientas del futuro

Los científicos subrayan que estas señales son sutiles, y que su detección requerirá una nueva generación de instrumentos. Proyectos como el ngEHT, la próxima generación del Telescopio del Horizonte de Sucesos, y o el observatorio espacial LISA, dedicado a detectar ondas gravitacionales de baja frecuencia, serán cruciales en esta búsqueda.

Además, será clave desarrollar modelos más sofisticados del entorno astrofísico de estos objetos. Factores como la geometría del disco de acreción, los campos magnéticos y la radiación no térmica pueden enmascarar —o simular— efectos que en realidad provienen de la geometría del espacio-tiempo.

Por eso, el artículo aboga por un enfoque combinado: utilizar tanto señales electromagnéticas como gravitacionales, comparar objetos de distinta masa y rotación, y desarrollar test de nulidad que puedan descartar modelos teóricos específicos.

Agujero negro singular y alternativas no singulares. Cortesía: Sissa Medialab. Background image sourced from ESO / Cambridge Astronomical Survey Unit

¿El camino hacia la gravedad cuántica?

Este nuevo paradigma no solo tiene implicaciones para la astronomía o la astrofísica. También podría abrir el camino hacia la teoría cuántica de la gravedad, el gran objetivo pendiente de la física moderna. Hablamos de una teoría que unifique la relatividad general, que rige el cosmos a gran escala, con la mecánica cuántica, que describe el mundo subatómico.

«Lo que viene para la investigación en gravedad es un periodo realmente apasionante —vaticina Liberati. Y concluye—: Estamos entrando en una era donde se abre ante nosotros un paisaje vasto y desconocido. Pero por primera vez, contamos con el mapa y las herramientas para explorarl».

No cabe duda de que a frontera entre la física conocida y lo desconocido ya no está necesariamente en los confines del universo, sino en los interiores invisibles de los agujeros negros. Y allí, gracias a las teorías no singulares, a las simulaciones avanzadas y a los telescopios del futuro, los científicos esperan reemplazar el temido letrero de «Hic sunt leones» por uno más optimista: «Aquí comienza una nueva física». ▪️

• Información facilitada por SISSA Medialab

• Fuente: Raúl Carballo-Rubio et al. Towards a Non-singular Paradigm of Black Hole Physics. arXiv (2025). DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.05505