¿Era el universo un agujero negro al principio?

Aquí hay una copia de una respuesta que escribí hace algún tiempo para las Preguntas frecuentes sobre física http://math.ucr.edu/home/baez/physics/Relativity/BlackHoles/universe.html

¿Es el Big Bang un agujero negro?

Esta pregunta se puede convertir en varias preguntas más específicas con diferentes respuestas.

¿Por qué el universo no colapsó y formó un agujero negro al principio?

A veces a la gente le resulta difícil entender por qué el Big Bang no es un agujero negro. Después de todo, la densidad de la materia en la primera fracción de segundo era mucho mayor que la que se encuentra en cualquier estrella, y se supone que la materia densa curva fuertemente el espacio-tiempo. A una densidad suficiente, debe haber materia contenida dentro de una región más pequeña que el radio de Schwarzschild para su masa. Sin embargo, el Big Bang se las arregla para evitar quedar atrapado dentro de un agujero negro de su propia creación y, paradójicamente, el espacio cerca de la singularidad es en realidad plano en lugar de curvarse fuertemente. ¿Cómo puede ser esto?

La respuesta corta es que el Big Bang se sale con la suya porque se está expandiendo rápidamente cerca del comienzo y la tasa de expansión se está desacelerando. El espacio puede ser plano incluso cuando el espacio-tiempo no lo es. La curvatura del espaciotiempo puede provenir de las partes temporales de la métrica del espaciotiempo que mide la desaceleración de la expansión del universo. Entonces, la curvatura total del espacio-tiempo está relacionada con la densidad de la materia, pero hay una contribución a la curvatura tanto de la expansión como de cualquier curvatura del espacio. La solución de Schwarzschild de las ecuaciones gravitatorias es estática y demuestra los límites impuestos a un cuerpo esférico estático antes de que deba colapsar en un agujero negro. El límite de Schwarzschild no se aplica a la materia que se expande rápidamente.

¿Cuál es la diferencia entre el modelo del Big Bang y un agujero negro?

Los modelos estándar del Big Bang son las soluciones de Friedmann-Robertson-Walker (FRW) de las ecuaciones del campo gravitatorio de la relatividad general. Estos pueden describir universos abiertos o cerrados. Todos estos universos FRW tienen una singularidad en su inicio, que representa el Big Bang. Los agujeros negros también tienen singularidades. Además, en el caso de un universo cerrado, ninguna luz puede escapar, que es solo la definición común de un agujero negro. Entonces cuál es la diferencia?

La primera diferencia clara es que la singularidad del Big Bang de los modelos FRW se encuentra en el pasado de todos los eventos del universo, mientras que la singularidad de un agujero negro se encuentra en el futuro. Por lo tanto, el Big Bang se parece más a un "agujero blanco": la versión invertida en el tiempo de un agujero negro. Según la relatividad general clásica, los agujeros blancos no deberían existir, ya que no pueden crearse por las mismas razones (invertidas en el tiempo) por las que los agujeros negros no pueden destruirse. Pero esto podría no aplicarse si siempre han existido.

Pero los modelos FRW Big Bang estándar también son diferentes de un agujero blanco. Un agujero blanco tiene un horizonte de eventos que es el reverso del horizonte de eventos de un agujero negro. Nada puede pasar a este horizonte, al igual que nada puede escapar del horizonte de un agujero negro. En términos generales, esta es la definición de un agujero blanco. Tenga en cuenta que habría sido fácil demostrar que el modelo FRW es diferente de una solución estándar de agujero negro o blanco, como las soluciones estáticas de Schwarzschild o las soluciones rotativas de Kerr, pero es más difícil demostrar la diferencia con un modelo más general de agujero negro. o agujero blanco. La verdadera diferencia es que los modelos FRW no tienen el mismo tipo de horizonte de eventos que un agujero negro o blanco.

Aun así, ¿podría ser el Big Bang un agujero blanco o negro?

En la respuesta anterior, solo tuve cuidado de argumentar que el modelo FRW Big Bang estándar es distinto de un agujero negro o blanco. El universo real puede ser diferente del universo FRW, entonces, ¿podemos descartar la posibilidad de que sea un agujero negro o blanco? No voy a entrar en cuestiones como si realmente hubo una singularidad, y supondré aquí que la relatividad general es correcta.

El argumento anterior en contra de que el Big Bang sea un agujero negro todavía se aplica. La singularidad del agujero negro siempre se encuentra en el futuro cono de luz, mientras que las observaciones astronómicas indican claramente un Big Bang caliente en el pasado. Sigue existiendo la posibilidad de que el Big Bang sea en realidad un agujero blanco.

La suposición principal de las cosmologías FRW es que el universo es homogéneo e isotrópico a gran escala. Es decir, se ve igual en todas partes y en todas direcciones en un momento dado. Existe buena evidencia astronómica de que la distribución de las galaxias es bastante homogénea e isotrópica en escalas mayores de unos pocos cientos de millones de años luz. El alto nivel de isotropía de la radiación cósmica de fondo es una fuerte evidencia de homogeneidad. Sin embargo, el tamaño del universo observable está limitado por la velocidad de la luz y la edad del universo. Vemos solo hasta unos diez o veinte mil millones de años luz, que es unas 100 veces más grande que las escalas en las que se ve la estructura en las distribuciones de galaxias.

La homogeneidad siempre ha sido un tema debatido. El universo mismo bien puede ser muchos órdenes de magnitud más grande de lo que podemos observar, o incluso puede ser infinito. El astrónomo Martin Rees compara nuestra vista con mirar al mar desde un barco en medio del océano. Cuando miramos más allá de las perturbaciones locales de las olas, vemos un paisaje marino aparentemente interminable y sin rasgos distintivos. Desde un barco, el horizonte estará a solo unas pocas millas de distancia, y el océano puede extenderse cientos de millas antes de que haya tierra. Cuando miramos al espacio con nuestros telescopios más grandes, nuestra vista también se limita a una distancia finita. No importa cuán suave parezca, no podemos asumir que continúa así más allá de lo que podemos ver. Así que la homogeneidad no es segura en escalas mucho más grandes que el universo observable. Podríamos argumentar a favor de ella sobre bases filosóficas,

En ese caso, debemos preguntarnos si existe un modelo de agujero blanco para el universo que sea tan consistente con las observaciones como los modelos FRW. Algunas personas inicialmente piensan que la respuesta debe ser no, porque los agujeros blancos (como los agujeros negros) producen fuerzas de marea que se estiran y comprimen en diferentes direcciones. Por lo tanto, son bastante diferentes de lo que observamos. Esto no es concluyente, porque se aplica solo al espacio-tiempo de un agujero negro en ausencia de materia. Dentro de una estrella, las fuerzas de marea pueden estar ausentes.

Un modelo de agujero blanco que se ajuste a las observaciones cosmológicas tendría que ser el tiempo inverso de una estrella colapsando para formar un agujero negro. En una buena aproximación, podríamos ignorar la presión y tratarla como una nube esférica de polvo sin más fuerzas internas que la gravedad. El colapso estelar se ha estudiado intensamente desde el trabajo seminal de Snyder y Oppenheimer en 1939 y este caso simple se comprende bien. Es posible construir un modelo exacto de colapso estelar en ausencia de presión pegando cualquier solución FRW dentro de la estrella esférica y una solución de Schwarzschild afuera. El espacio-tiempo dentro de la estrella permanece homogéneo e isotrópico durante el colapso.

De ello se deduce que la inversión temporal de este modelo para una esfera de polvo que se derrumba es indistinguible de los modelos FRW si la esfera de polvo es más grande que el universo observable. En otras palabras, no podemos descartar la posibilidad de que el universo sea un agujero blanco muy grande. Solo esperando muchos miles de millones de años hasta que el borde de la esfera aparezca a la vista podríamos saberlo.

Debe admitirse que si abandonamos los supuestos de homogeneidad e isotropía, existen muchos otros modelos cosmológicos posibles, incluidos muchos con topologías no triviales. Esto hace que sea difícil derivar algo concreto de tales teorías. Pero esto no ha impedido que algunos cosmólogos valientes e imaginativos piensen en ellos. Una de las posibilidades más emocionantes fue considerada por C. Hellaby en 1987, quien imaginó que el universo se creaba como una sarta de cuentas de agujeros aislados que explotan de forma independiente y se fusionan en un universo en un momento determinado. Todo esto se describe mediante una única solución exacta de la relatividad general.

Hay un giro final en la respuesta a esta pregunta. Stephen Hawking ha sugerido que una vez que se tienen en cuenta los efectos cuánticos, la distinción entre agujeros negros y agujeros blancos podría no ser tan clara como parece a primera vista. Esto se debe a la "radiación de Hawking", un mecanismo por el cual los agujeros negros pueden perder materia. (Consulte el artículo de preguntas frecuentes sobre relatividad sobre la radiación de Hawking). Un agujero negro en equilibrio térmico con la radiación circundante podría tener que ser simétrico en el tiempo, en cuyo caso sería lo mismo que un agujero blanco. Esta idea es controvertida, pero de ser cierta significaría que el universo podría ser un agujero blanco y un agujero negro al mismo tiempo. Quizás la verdad sea aún más extraña. En otras palabras, ¿quién sabe?

El universo observable existe dentro de un agujero negro creado por la masa total presente en el universo observable.

Si encontramos el tamaño en el que la distribución de masa con la densidad de masa promedio del universo actual forma un agujero negro.

La expresión anterior significa que si el universo actual tiene un valor de densidad de masa crítica ρ_c (del orden de 5~6 átomos de hidrógeno por 1/m^3) y el tamaño es aproximadamente R_UB=14,3Gly o más, esta región se convierte en un agujero negro. .

Actualmente, estimamos que el tamaño del universo observable es mayor que 14,3 Gly, y se estima que todo el universo es más grande que el universo observable 46,5 Gly, por lo que nuestro universo observable existe inevitablemente dentro de un enorme agujero negro llamado universo.

El tamaño del agujero negro creado por esta distribución de masa de 46,5 Gly es de 491,6 Gly. El horizonte de eventos creado por el universo observable es aproximadamente diez veces más grande que el universo observable.

Al considerar la expansión en el estado temprano de alta densidad del universo, existe el problema de que la gente piensa erróneamente que este evento es el escape de materia desde el interior del agujero negro creado por la masa total del universo hacia el exterior para formar galaxias o estrellas.

El horizonte de eventos del agujero negro creado por la masa total del universo es muy grande en comparación con el área donde se concentra la masa total del universo. En este caso, la materia no escapa del agujero negro del universo, pero aún no ha alcanzado el horizonte de sucesos del agujero negro del universo.

Si la ecuación de Schwarzschild es correcta..., Pero...

https://www.researchgate.net/publication/359192496