Órbitas Estáticas en Espaciotiempos en Rotación: La Detección Puede Revelar Características Clave de Agujeros Negros

Por: Lisa Zyga

Cuando un objeto astrofísico masivo, como una estrella de bosones o un agujero negro gira, puede hacer que el espaciotiempo circundante gire junto con él debido al efecto de arrastre del marco. En un nuevo artículo, los físicos han demostrado que una partícula con las propiedades adecuadas puede permanecer perfectamente inmóvil en un espaciotiempo en rotación si ocupa una "órbita estática", un anillo de puntos situado a una distancia crítica del centro del espaciotiempo en rotación.

Los físicos Lucas G. Collodel, Burkhard Kleihaus y Jutta Kunz, de la Universidad de Oldenburg (Alemania), han publicado un artículo en el que proponen la existencia de órbitas estáticas en espaciotiempos en rotación en un número reciente de Physical Review Letters.

"Nuestro trabajo presenta con extrema sencillez una característica de ciertos espaciotiempos que ha sido ignorada durante mucho tiempo y que es bastante contraria a la intuición", dijo Collodel a Phys.org. "La relatividad general existe desde hace algo más de cien años y nunca deja de sorprender, y explorar las formas en que diferentes distribuciones de energía pueden deformar la geometría del espaciotiempo de una manera no trivial es clave para una comprensión más profunda".

En su artículo, los físicos identifican dos criterios para que una partícula permanezca en reposo con respecto a un observador estático en un espaciotiempo en rotación. En primer lugar, el momento angular de la partícula (básicamente su propia rotación) debe tener el valor justo para que anule perfectamente la rotación debida al arrastre de marco. En segundo lugar, la partícula debe estar situada precisamente en la órbita estática, un anillo alrededor del centro del espaciotiempo en rotación en el que la partícula no es ni atraída hacia el centro ni empujada.

Un punto clave es que no todos los objetos astrofísicos con espaciotiempos en rotación tienen órbitas estáticas, lo que en el futuro podría ayudar a los investigadores a distinguir entre diferentes tipos de objetos astrofísicos. Como explican los físicos, para tener una órbita estática, la métrica de un espaciotiempo en rotación (básicamente la función que describe los espaciotiempos en la relatividad general) debe tener un mínimo local, que corresponde a la distancia crítica a la que se encuentra la órbita estática. En cierto sentido, una partícula puede entonces quedar "atrapada" en reposo en este mínimo local.

Los físicos identifican varios objetos astrofísicos que tienen órbitas estáticas, como las estrellas bosónicas (estrellas hipotéticas hechas de materia bosónica que, al igual que los agujeros negros, tienen una inmensa gravedad pero no emiten luz), los agujeros de gusano y los agujeros negros peludos  (agujeros negros con propiedades únicas, como carga adicional). Por otro lado, los agujeros negros de Kerr (que se cree que son el tipo más común de agujero negro) no tienen métricas con mínimos locales, por lo que no tienen órbitas estáticas. Así que la evidencia de una órbita estática podría proporcionar una forma de distinguir entre los agujeros negros de Kerr y algunos de los objetos menos comunes con órbitas estáticas.

Aunque los físicos reconocen que puede ser improbable esperar que una partícula con el momento angular justo exista en el lugar adecuado para permanecer en reposo en un espaciotiempo en rotación, todavía puede ser posible detectar la existencia de órbitas estáticas debido a lo que ocurre en las cercanías. Se predice que las partículas que inicialmente están en reposo cerca de las órbitas estáticas se mueven más lentamente que las que se encuentran más lejos. Por tanto, aunque los investigadores nunca observen una partícula en reposo, pueden observar partículas que se mueven lentamente en las proximidades, lo que indica la existencia de una órbita estática cercana.

"Reconocer la existencia del anillo estático nos ayuda a apreciar mejor lo que debemos planificar y esperar de futuras observaciones", dijo Collodel. "Por ejemplo, podemos buscar el anillo para identificar posibles objetos exóticos, como la estrella de bosones, o incluso asegurar con confianza (al observar el anillo) que un AGN [núcleo galáctico activo] no está alimentado por un agujero negro de Kerr. En el futuro planeamos investigar cómo la presencia del anillo podría afectar a los discos de acreción, que por el momento son mucho más fáciles de observar, y si podría proteger a algunos objetos de la materia infalible".

Artículo: How a particle may stand still in rotating spacetime

Más información: Lucas G. Collodel, Burkhard Kleihaus, and Jutta Kunz. "Static Orbits in Rotating Spacetimes." Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.201103