Gravitación clásica y cuántica en física de agujeros negros y cosmología

La física del siglo XX cambió completamente nuestra forma de entender el mundo dando lugar a dos teorías revolucionarias, la relatividad general y la mecánica cuántica. Sin embargo, nos ha dejado un gigantesco dilema que bien pudiera ser la semilla de una nueva revolución: en vez de tener un único marco teórico con el que entender la naturaleza tenemos dos, y dos mutuamente inconsistentes, por lo menos hasta donde podemos ver. Para describir un sistema o fenómeno en física primero tenemos que decidir a cual de estos dos mundos pertenece. Solo después podemos aplicarle la maquinaria correspondiente. La situación no es particularmente atractiva pero podríamos vivir con ella si no hubiera sistemas o procesos cuyo entendimiento necesitara de los dos mundos a la vez. Pero este no es el caso, existen al menos dos situaciones cuyo entendimiento requiere de mecánica cuántica y relatividad general al mismo tiempo: la formación y evolución de los agujeros negros y el origen y evolución del Universo como un todo, el sujeto de la cosmología. Mientras no tengamos una teoría combinada de la gravedad y el “cuanto” seremos incapaces de entender estos sistemas tan fundamentales.

La actividad principal del grupo es investigar estas dos situaciones y buscar formas de combinar los mundos gravitatorios y cuánticos. Para ello usamos técnicas muy variadas: desde simulaciones numéricas de relatividad general hasta técnicas grupo teóricas y de materia condensada.

Esta línea de investigación del IAA contiene una serie de temáticas específicas que pasamos ahora a describir brevemente.

  1. Cuantización grupo teórica: Continuamos desarrollando las técnicas de cuantización grupo teórica intentando su aplicación a la relatividad general o al menos a sectores de ella reducidos por criterios de simetría. Para aplicar estas técnicas primero hemos desarrollado una versión gauge de la relatividad general mezclada con otras intecaciones de tal forma que las simetrías espacio-temporales e internas aparecen en igualdad de condiciones.
  2. Simulaciones numéricas de coalescencia de agujeros negros: Estamos interesados en la dinámica de sistemas con horizontes desde una doble perspectiva. Desde el punto de vista observacional/astrofísico trabajamos en el cálculo de la emisión de ondas gravitacionales que caracteriza la dinámica de estos sistemas y preparando los procedimientos de extracción de parámetros físicos de las futuras observaciones interferométricas. Desde el punto de vista teórico, estamos trabajando el la caracterización de estos sistemas en términos de la noción local de horizontes dinámicos y atrapantes.
  3. Colapso gravitatorio en teorías más allá de la relatividad general de Einstein: Estamos interesados en comparar el proceso de colapso estelar en relatividad general con el mismo en teorías gravitatorias que incorporen correcciones cuánticas. En particular, estamos trabajando en el análisis del colapso en la modificación más sencilla y mejor motivada de la relatividad general, la llamada gravedad semiclásica. Ya hemos visto que para ciertos modelos iniciales de colapso clásico, las correcciones semiclásicas podrían ser importantes incluso antes de la formación del horizonte.
  4. Gravedad análoga: Los sistemas de materia condensada con propiedades emergentes de tipo geométrico ya han proporcionado importantes claves sobre que tipo de desviaciones cuánticas podríamos esperar cuando sondemos la gravitación a altas energías. Analizando el comportamiento de agujeros negros y universos en expansión artificiales en sistemas de materia condensada (por ejemplo, en condensados de Bose-Einstein) planeamos continuar obteniendo lecciones sobre las desviaciones plausibles sobre el comportamiento descrito por la relatividad general.
  5. Energía oscura a partir de grados de libertad microscópicos: Estamos interesados en entender el origen de la energía oscura en el universo a partir de primeros principios. La analogías con sistemas de tipo líquido en materia condensada ofrecen un novedoso marco teórico en el que investigar este asunto. Esto ya nos ha motivado a proponer un nuevo modelo cosmológico en el que la energía oscura y la materia oscura no se conservan independientemente.
  6. El origen de la masa de las partículas: Uno de los mayores problemas en física es entender cuál es el origen de la masa de la partículas elementales. En el modelo estándar de partículas la masa aparece debido a la interacción de los fermiones inicialmente sin más con el bosón de Higgs. En nuestro grupo se está investigando una alternativa que no requiere la existencia del Higgs. Esta alternativa descansa en la posibilidad de mezclar de forma no trivial la gravedad con las otras interacciones del modelo estándar y en la cuantización grupo teórica de una teoría Yang-Mills no abeliana. Estos análisis están en perfecta sintonía con la operación del LHC en el CERN (Ginebra), diseñado precisamente para sondear la existencia del Higgs.