Departamento de Astronomía Extragaláctica
Grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros
El Grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros centra su actividad en el estudio de la viabilidad de teorías más allá de la relatividad general. Con un enfoque eminentemente teórico, realiza investigaciones sobre gravedad semiclásica, gravedad modificada y gravedad análoga. Aplica estas ideas a modelos no singulares de agujeros negros y a objetos ultracompactos; y además estudia la fenomenología a la que dan lugar estos modelos.
Representación artística del sistema estelar binario descubierto en el evento de microlente Gaia16aye, cuya gravedad curva el tejido del espacio-tiempo y distorsiona la trayectoria de los rayos de luz procedentes de una estrella aún más lejana. Crédito: M. Rębisz
Contexto
Desde la década de 1930, se busca una teoría de la gravedad que supere a la Relatividad General, propuesta por Einstein, y que funcione también a escalas cuánticas: a esta supuesta teoría se la denomina gravedad cuántica. Al toparse con grandes dificultades, en los años 60 se plantea en paralelo desarrollar una teoría menos ambiciosa, la gravedad semiclásica, en la que la materia admite una descripción cuántica, pero el espacio-tiempo mantiene un tratamiento clásico.
A partir de los años 80, surge una nueva área de investigación: la gravedad análoga, que tiene por objetivo aportar una dimensión experimental a la gravedad mediante la simulación de efectos gravitatorios en sistemas de laboratorio. Dentro de este marco aparecen nuevas ideas sobre el potencial origen cuántico de la gravedad. Hoy en día, continúa la búsqueda de la teoría que pueda sustituir a la relatividad general. Tanto la gravedad semiclásica como la gravedad análoga siguen investigándose activamente, al igual que teorías de gravedad cuántica generales como la gravedad cuántica de bucles, la teoría de cuerdas o la holografía.
Por otra parte, existen desarrollos complementarios que buscar capturar las modificaciones más importantes de la teoría de Einstein en formalismos de gravedad modificada. Estas aproximaciones se basan en argumentos geométricos y de simetría para realizar clasificaciones sistemáticas del comportamiento dinámico de la gravedad más allá de la relatividad general. Dichas teorías pueden proporcionar también un puente entre marcos de gravedad cuántica y desarrollos fenomenológicos.
Se cree que las claves para entender cómo modificar la Relatividad General podrían encontrarse en los agujeros negros, puesto que la teoría no es capaz de dar una descripción física completa válida por la presencia de singularidades en su interior. Es por ello que el grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros, además de analizar aspectos generales de las teorías de gravedad semiclásica, análoga y modificada, presta especial atención a los agujeros negros y trata de construir modelos alternativos, en los que estos aparezcan como soluciones regulares.
Líneas de Investigación
El principal enfoque de las líneas de investigación del grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros se basa en emplear aproximaciones efectivas en los desarrollos teóricos, es decir, para modelizar un fenómeno específico, se centran únicamente en las escalas de energía relevantes. De esta manera, los modelos se simplifican y aportan información robusta.
Su actividad científica se divide en cuatro líneas de investigación:
Gravedad semiclásica
La gravedad semiclásica es una teoría aproximada de gravedad cuántica, en la que la materia se describe mediante campos cuánticos, mientras que el campo gravitatorio se trata clásicamente. Su resultado más conocido fue el llevado a cabo en 1974 por Stephen Hawking, quien, aplicando esta aproximación, demostró que los agujeros negros emiten radiación térmica, hoy conocida como radiación de Hawking.
El principal objetivo científico de esta línea de investigación es:
- Analizar las consecuencias de incorporar los efectos de la polarización del vacío en la teoría de la gravedad.
La Relatividad General estándar no tiene en cuenta un fenómeno que también podría ser una fuente de gravedad: la polarización del vacío. Esta polarización se comporta como una nube adicional de materia semiclásica capaz de curvar el espacio-tiempo. Su incorporación revela la posibilidad de configuraciones estelares y regímenes dinámicos inexplorados. Por ejemplo, aparecen objetos estelares ultracompactos que podrían ser confundidos con agujeros negros.
Gravedad análoga o emergente
La gravedad análoga o emergente explota la existencia de analogías entre efectos gravitatorios y efectos que ocurren en otros sistemas físicos reproducibles en laboratorios terrestres, para obtener nuevas perspectivas sobre cómo modificar la relatividad general. La analogía más conocida es la que se da entre ondas de sonido en un fluido en movimiento y ondas de luz en un espacio-tiempo curvo. Actualmente, numerosos grupos tanto experimentales como teóricos, trabajan en esta área. El grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros es pionero en el desarrollo teórico de la gravedad análoga. Entre sus objetivos científicos actuales destaca:
- Estudiar los límites de las analogías, para sondear la viabilidad de una teoría análoga más completa que permita simular también aspectos dinámicos de la Relatividad General en el laboratorio.
Modelos no singulares de agujeros negros
La Teoría de la Relatividad General, el paradigma actual para comprender la gravitación, describe los agujeros negros como regiones esencialmente vacías del espacio-tiempo pero con singularidades en su interior. En estas singularidades, la densidad y la curvatura del espacio-tiempo se vuelven infinitas por lo que no pueden ser descritas por la física conocida. El grupo tiene como objetivo:
- Construir modelos para estas regiones del espacio-tiempo evitando la presencia de singularidades.
Para ello, han empezado por aportar herramientas en forma de ecuaciones que describan, sin limitaciones, todas las modificaciones que se pueden introducir a los agujeros negros esféricamente simétricos (una primera simplificación teórica para avanzar en su estudio). Son uno de los grupos pioneros en esta línea.
Fenomenología de modelos no singulares de agujeros negros
Como continuación a la línea constructiva, el objetivo científico es:
- Investigar las implicaciones observables de los modelos construidos, esto es, estudiar su fenomenología para poderlos confrontar con las observaciones.
Los trabajos observacionales en agujeros negros avanzan cada vez más rápido, lo que permite apoyar y contrastar los trabajos teóricos. Por eso, en el futuro, además de construir modelos físicos cada vez más complejos que den cuenta de agujeros negros realistas y estudiar su fenomenología, el grupo explorará la posibilidad de comparar sus desarrollos con observaciones del Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT) de próxima generación.
El grupo
Integrantes
- Carlos Barceló (Investigador Científico)
- Raúl Carballo-Rubio (Científico Titular)
- Víctor Aldaya (ad honorem)
Historia
Víctor Aldaya fundó el Grupo de Gravedad Teórica y Física de Agujeros Negros del IAA en 1998, al que se unió Carlos Barceló en 2003. Raúl Carballo-Rubio se incorporó al grupo primero como contratado Ramón y Cajal y después como Científico Titular en 2025. El grupo ha tenido una amplia implicación en la formación de estudiantes de doctorado, dando lugar a 10 doctores.
Información destacada
El Prof. Aldaya organizó la visita de Stephen Hawking al IAA en 2001. Esta incluyó una charla de divulgación multitudinaria, que se retransmitió también en una pantalla en el Parque de las Ciencias.
El grupo coorganiza la Escuela de Verano en Física Avanzada de Agujeros Negros “Tales of Black Holes” desde 2025, junto con la Universidad de Granada (UGR) y el Instituto de Radio Astronomía Milimétrica (IRAM).
Carlos Barceló fue presidente de la Sociedad Española de Gravitación y Relatividad (SEGRE) entre los años 2014 y 2019 y ha sido director científico de la docu-serie ‘Territorio Gravedad’, financiada entre otros por la FECYT, que estrenó su primera temporada en 2023 y una segunda en 2024.
Raúl Carballo-Rubio forma parte del comité fundador y comité científico organizador de la conferencia internacional Black Holes Inside and Out, cuya primera edición tuvo lugar en 2021 y que se celebra cada 3 años.
Sinergias con otros grupos del IAA
El grupo tiene sinergias con el grupo EHT-VLBI, grupo de referencia en España de la Colaboración Event Horizon Telescope (EHT), para comprobar sus propuestas teóricas con simulaciones y observaciones. También con los grupos de Astrofísica de Muy Altas Energías y Sistemas Estelares.
Colaboraciones externas
Entre sus colaboradores más estrechos se encuentran:
- Grupo de Teorías Efectivas en Física Moderna, adscrito al Departamento de Física Teórica e IPARCOS de la Universidad Complutense de Madrid, con quienes forman el Grupo de Gravedad y Campos Cuánticos
- SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati Trieste) en Italia
- Center of Gravity, Niels Bohr Institute en Dinamarca
- Departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada
Trabajos destacados
Carlos Barceló, Stefano Liberati and Matt Visser, “Analogue gravity”, Living Review Relativity. 8 (2005) 12; Living Rev. Rel. 14 (2011)
Arrechea, J., Barceló, C., Carballo-Rubio, R., & Garay, L. J. (2022). «Semiclassical relativistic stars». Scientific Reports, 12(1), 15958.
