¿Sobrevivirían los astronautas a un viaje interestelar a través de un agujero de gusano?

En la ópera espacial Interestelar, los astronautas que buscan salvar a la humanidad han encontrado una línea de vida: un agujero de gusano que misteriosamente apareció junto a Saturno. El túnel a través del espacio-tiempo conduce a una galaxia distante y a la posibilidad de encontrar planetas habitables que los humanos puedan colonizar. El agujero de gusano de la película se basa en la física real del profesor retirado de CalTech, Kip Thorne, un pionero de la astrofísica que también ayudó a Carl Sagan a diseñar su agujero de gusano para la novela Contacto . Las visualizaciones son impresionantes y están siendo aclamadas como algunas de las simulaciones más precisas de agujeros de gusano y agujeros negros en la película. Pero hay un aspecto de sumergirse en un expreso interestelar que la película no aborda: ¿cómo sobrevivir al viaje?

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Aunque no lo llamaron así, el agujero de gusano original fue una creación de Albert Einstein y su asistente Nathan Rosen. Intentaban resolver las ecuaciones de Einstein para la relatividad general de una manera que finalmente llevaría a un modelo puramente matemático de todo el universo, incluida la gravedad y las partículas que componen la materia. Su intento consistió en describir el espacio como dos láminas geométricas conectadas por "puentes", que percibimos como partículas.

Otro físico, Ludwig Flamm, había descubierto independientemente tales puentes en 1916 en su solución a las ecuaciones de Einstein. Desafortunadamente para todos ellos, esta "teoría de todo" no funcionó, porque los puentes teóricos no se comportaron en última instancia como partículas reales. Pero el artículo de 1935 de Einstein y Rosen popularizó el concepto de un túnel a través de la estructura del espacio-tiempo y consiguió que otros físicos pensaran seriamente en las implicaciones.

El físico de Princeton John Wheeler acuñó el término "agujero de gusano" en la década de 1960 cuando estaba explorando los modelos de puentes Einstein-Rosen. Señaló que los puentes son similares a los agujeros que las lombrices atraviesan las manzanas. Una hormiga que se arrastra de un lado a otro de la manzana puede desplazarse alrededor de su superficie curva o tomar un atajo a través del túnel del gusano. Ahora imagine que nuestro espacio-tiempo tridimensional es la piel de una manzana que se curva alrededor de una dimensión superior llamada "la masa". Un puente Einstein-Rosen es un túnel a través del bulto que permite a los viajeros tomar un carril rápido entre dos puntos en el espacio. Suena extraño, pero es una solución matemática legítima para la relatividad general.

Wheeler se dio cuenta de que las bocas de los puentes de Einstein-Rosen coinciden fácilmente con las descripciones de lo que se conoce como un agujero negro de Schwarzschild, una simple esfera de materia tan densa que ni siquiera la luz puede escapar de su atracción gravitacional. Ah-ha! Los astrónomos creen que los agujeros negros existen y se forman cuando los núcleos de estrellas extremadamente masivas colapsan sobre sí mismos. Entonces, ¿podrían los agujeros negros también ser agujeros de gusano y, por lo tanto, puertas de entrada al viaje interestelar? Matemáticamente hablando, tal vez, pero nadie sobreviviría al viaje.

En el modelo de Schwarzschild, el corazón oscuro de un agujero negro es una singularidad, una esfera neutral, inmóvil con densidad infinita. Wheeler calculó lo que sucedería si un agujero de gusano nace cuando dos singularidades en partes distantes del universo se fusionan en la masa, creando un túnel entre los agujeros negros de Schwarzschild. Descubrió que ese agujero de gusano es inherentemente inestable: el túnel se forma, pero luego se contrae y se contrae, dejándote una vez más con solo dos singularidades. Este proceso de crecimiento y contracción ocurre tan rápido que ni siquiera la luz atraviesa el túnel, y un astronauta que intenta atravesarlo se encuentra con una singularidad. Esa es la muerte súbita, ya que las inmensas fuerzas gravitacionales destrozarían al viajero.

"¡Cualquier cosa o alguien que intente el viaje será destruido en el pinch off!" Thorne escribe en su libro compañero de la película, The Science of Interstellar .

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Existe una alternativa: un agujero negro rotativo de Kerr, que es otra posibilidad en la relatividad general. La singularidad dentro de un agujero negro de Kerr es un anillo en lugar de una esfera, y algunos modelos sugieren que una persona podría sobrevivir al viaje si pasa cuidadosamente por el centro de este anillo como una pelota de baloncesto a través de un aro. Thorne, sin embargo, tiene varias objeciones a esta noción. En un artículo de 1987 sobre el viaje a través del agujero de gusano, señala que la garganta de un agujero de gusano Kerr contiene una región llamada horizonte de Cauchy que es muy inestable. Las matemáticas dicen que tan pronto como algo, incluso la luz, intenta pasar este horizonte, el túnel se derrumba. Incluso si el agujero de gusano pudiera estabilizarse de alguna manera, la teoría cuántica nos dice que el interior debería estar inundado de partículas de alta energía. Pon un pie en un agujero de gusano Kerr, y serás frito hasta quedar crujiente.

El truco es que la física aún no se ha casado con las reglas clásicas de la gravedad con el mundo cuántico, una parte esquiva de las matemáticas que muchos investigadores están tratando de precisar. En un giro en la imagen, Juan Maldacena en Princeton y Leonard Susskind en Stanford propusieron que los agujeros de gusano pueden ser como las manifestaciones físicas del enredo, cuando los objetos cuánticos están vinculados sin importar cuán lejos estén.

Einstein describió el enredo como "acción fantasmagórica a distancia" y se resistió a la noción. Pero muchos experimentos nos dicen que el enredo es real: ya se está utilizando comercialmente para proteger las comunicaciones en línea, como las transacciones bancarias. Según Maldacena y Susskind, grandes cantidades de enredos cambian la geometría del espacio-tiempo y pueden dar lugar a agujeros de gusano en forma de agujeros negros enredados. Pero su versión no es una puerta de enlace interestelar.

"Son agujeros de gusano que no te permiten viajar más rápido que la luz", dice Maldacena. "Sin embargo, pueden permitirte conocer a alguien adentro, con la pequeña advertencia de que ambos morirían en una singularidad gravitacional".

Bien, entonces los agujeros negros son un problema. Entonces, ¿qué puede ser un agujero de gusano? Avi Loeb, del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, dice que nuestras opciones están abiertas: "Dado que aún no tenemos una teoría que unifique de manera confiable la relatividad general con la mecánica cuántica, no conocemos todo el zoológico de posibles estructuras de espacio-tiempo que puedan acomodar agujeros de gusano ".

Todavía hay un problema. Thorne descubrió en su trabajo de 1987 que cualquier tipo de agujero de gusano que sea consistente con la relatividad general colapsará a menos que sea abierto por lo que él llama "materia exótica" con energía negativa. Argumenta que tenemos evidencia de materia exótica gracias a los experimentos que muestran cómo las fluctuaciones cuánticas en el vacío parecen crear presión negativa entre dos espejos colocados muy juntos. Y Loeb cree que nuestras observaciones de la energía oscura son indicios adicionales de que puede existir materia exótica.

"Observamos que a lo largo de la historia cósmica reciente, las galaxias nos han estado huyendo a una velocidad que aumenta con el tiempo, como si la gravedad repulsiva actuara sobre ellas", dice Loeb. "Esta expansión acelerada del universo puede explicarse si el universo está lleno de una sustancia que tiene una presión negativa ... al igual que el material necesario para crear un agujero de gusano". Sin embargo, ambos físicos están de acuerdo en que necesitarías demasiada materia exótica para que un agujero de gusano se forme de manera natural, y solo una civilización altamente avanzada podría esperar reunir suficiente material para estabilizar un agujero de gusano.

Pero otros físicos no están convencidos. "Creo que un agujero de gusano estable y transitable sería muy confuso y parece incompatible con las leyes de la física que conocemos", dice Maldacena. Sabine Hossenfelder, del Instituto Nórdico de Física Teórica en Suecia, es aún más escéptica: "No tenemos absolutamente ninguna indicación de que esto exista. De hecho, se cree ampliamente que no puede existir, porque si lo hiciera, el vacío sería inestable". Incluso si hubiera materia exótica disponible, viajar a través de ella puede no ser bonita. Los efectos exactos dependerán de la curvatura del espacio-tiempo alrededor del agujero de gusano y la densidad de la energía en el interior, dice ella. "Es más o menos como con los agujeros negros: demasiadas fuerzas de marea y te destrozan".

A pesar de sus lazos con la película, Thorne también es pesimista de que incluso es posible un agujero de gusano transitable, mucho menos sobrevivible. "Si pueden existir, dudo mucho que puedan formarse naturalmente en el universo astrofísico", escribe en el libro. Pero Thorne aprecia que Christopher y Jonah Nolan, quienes escribieron Interestelar, estaban tan ansiosos por contar una historia basada en la ciencia.

"La historia ahora es esencialmente de Chris y Jonah", dijo Thorne a Wired en una entrevista exclusiva. "Pero el espíritu de esto, el objetivo de tener una película en la que la ciencia esté incrustada en el tejido desde el principio, y es una gran ciencia, se conservó".