Singularidad gravitacional para niños

Una singularidad gravitacional es un lugar en el espacio-tiempo donde las leyes de la física, tal como las conocemos, dejan de funcionar. Imagina que el espacio y el tiempo son como una tela estirada; una singularidad sería un punto donde esa tela se estira tanto que se rompe o se vuelve infinitamente curva.

Estas singularidades aparecen en las teorías de la relatividad general de Albert Einstein, que describen cómo funciona la gravedad. Las encontramos en lugares extremos del universo, como dentro de los agujeros negros o en el momento del Big Bang, que se cree fue el inicio de nuestro universo.

Desde el punto de vista de las matemáticas, es difícil definir una singularidad porque son puntos donde ciertas medidas del espacio-tiempo se vuelven infinitas o no se pueden calcular. Sin embargo, podemos ver las "pistas" que dejan en el espacio-tiempo:

• Las trayectorias que siguen los objetos (llamadas geodésicas) pueden terminar de repente, como si desaparecieran.
• La curvatura del espacio-tiempo se vuelve increíblemente grande cerca de estos puntos.

¿Qué es una Singularidad Gravitacional?

Una singularidad gravitacional es un punto o región en el espacio-tiempo donde la densidad de la materia y la curvatura del espacio-tiempo se vuelven infinitas. Esto significa que las leyes de la física que usamos normalmente no pueden describir lo que sucede allí.

¿Cómo se detectan las Singularidades?

Aunque no podemos "ver" una singularidad directamente, los científicos las detectan por las "huellas" que dejan en el espacio-tiempo. Estas huellas son comportamientos muy extraños:

• Geodésicas incompletas: Las geodésicas son las rutas que siguen los objetos en el espacio-tiempo. Cerca de una singularidad, estas rutas pueden terminar de forma abrupta, como si el objeto simplemente dejara de existir o no pudiera seguir su camino.
• Curvatura infinita: La curvatura del espacio-tiempo, que es lo que percibimos como gravedad, se vuelve infinitamente grande cerca de una singularidad. Es como si el espacio se doblara sobre sí mismo de una manera extrema.

Tipos de Singularidades: ¿Coordenadas o Físicas?

Las singularidades se pueden clasificar de varias maneras:

• Singularidades de coordenadas: Estas no son singularidades "reales" del espacio-tiempo. Son como un problema en el mapa que usamos para describir el espacio. Por ejemplo, en un mapa de la Tierra, el Polo Norte puede parecer un punto donde todas las líneas de longitud se juntan, pero no es un punto especial en la Tierra misma. En los agujeros negros, hay un punto llamado horizonte de sucesos que a veces se confunde con una singularidad de coordenadas, pero es un límite real del que nada puede escapar.
• Singularidades físicas: Estas sí son singularidades verdaderas del espacio-tiempo. En estos puntos, la curvatura del espacio-tiempo es realmente infinita, no es solo un problema de cómo lo describimos.

Singularidades Abiertas y Cerradas

Las singularidades físicas pueden tener diferentes formas:

• Hipersuperficies abiertas: Son como un punto o una línea. Se encuentran en agujeros negros que no giran, como el agujero negro de Schwarzschild.
• Hipersuperficies cerradas: Son como un anillo o una rosquilla. Aparecen en agujeros negros que sí giran, como el agujero negro de Kerr. En estos casos, la materia que cae en el agujero negro gira tan rápido que deja un espacio en el centro.

Singularidades Temporales y Espaciales

También se clasifican según cómo afectan a los objetos:

• Singularidades temporales: Son inevitables. Si un objeto cae en una de estas singularidades, no puede escapar. Tarde o temprano, cualquier cosa que la atraviese dejará de existir. Un ejemplo es la singularidad dentro de un agujero negro de Schwarzschild.
• Singularidades espaciales: Son evitables. Una partícula puede, en teoría, escapar de ellas o rodearlas. Se encuentran en agujeros negros que giran o tienen carga eléctrica, como los agujeros negros de Kerr.

Existe una idea llamada la hipótesis de censura cósmica, que sugiere que todas las singularidades físicas deben estar ocultas detrás de un horizonte de sucesos, lo que significa que no podemos verlas directamente desde fuera. Si una singularidad fuera visible, se llamaría "singularidad desnuda".

¿Qué son los Teoremas de Singularidades?

Los teoremas de singularidades son descubrimientos importantes hechos por científicos como Stephen Hawking y Roger Penrose. Estos teoremas predicen que las singularidades deben existir bajo ciertas condiciones en el universo.

El Origen del Universo y el Big Bang

Uno de estos teoremas sugiere que si nuestro universo se está expandiendo (como lo observamos) y sigue las leyes de la relatividad general, entonces debió haber comenzado a partir de una singularidad hace un tiempo finito. Esto apoya la Teoría del Big Bang, que describe el origen del universo.

Agujeros Negros y Singularidades

Otro teorema predice que las singularidades deben existir dentro de los agujeros negros. Si una región del espacio-tiempo tiene una "superficie atrapada" (un lugar del que nada puede escapar, ni siquiera la luz), entonces debe haber una singularidad en su interior. Esto es lo que ocurre en los agujeros negros.

¿Qué pasa con el Área de los Agujeros Negros?

Stephen Hawking también demostró algunas reglas importantes sobre los agujeros negros:

• Un agujero negro no puede desaparecer ni dividirse. Si dos agujeros negros chocan, se fusionarán en uno más grande.
• El área total de los horizontes de sucesos de los agujeros negros en el universo siempre aumenta o se mantiene igual. Nunca disminuye.
• Cualquier cosa que caiga en un agujero negro permanecerá dentro de él para siempre.

Estas reglas nos ayudan a entender cómo se comportan los agujeros negros, incluso si no podemos calcular todo con exactitud. Sin embargo, la Radiación de Hawking sugiere que los agujeros negros pueden perder masa y "evaporarse" con el tiempo, lo que podría cambiar algunas de estas reglas en el futuro, cuando tengamos una teoría que combine la gravedad con la mecánica cuántica.

¿Por qué la Relatividad General no puede describir las Singularidades?

La teoría de la relatividad general de Einstein es muy buena para describir la gravedad en la mayoría de las situaciones, pero no funciona bien cuando se trata de singularidades. Esto se debe a que la teoría solo es precisa a escalas más grandes que un tamaño muy pequeño llamado la longitud de Planck (aproximadamente 10^-33 centímetros).

Cuando nos acercamos a una singularidad, el espacio-tiempo se curva tanto que llega a esta escala diminuta. En ese punto, necesitamos una nueva teoría que combine la relatividad general con la mecánica cuántica (la física de lo muy pequeño), algo que los científicos aún están tratando de desarrollar.

Véase también

En inglés: Gravitational singularity Facts for Kids

• Agujero blanco
• Diagrama de Penrose-Carter
• Agujero negro
• Agujero negro de Schwarzschild
• Agujero negro de Kerr
• Agujero negro de Reissner-Nordström
• Agujero negro de Kerr-Newman
• Ergosfera
• Singularidad desnuda
• Anexo:Glosario de relatividad