¿Por qué un universo abierto se expande para siempre incluso sin energía oscura?

Suponga que vio una pelota en el aire. Las pelotas no solo flotan en el aire, así que si ves una pelota en el aire, sabes que alguien debe haberla lanzado. Podrías hacer cosas como medir la velocidad de la pelota, y esto te diría si la pelota lanzada está subiendo o bajando. O si la velocidad de la pelota fuera hacia arriba y muy alta, podrías saber si la pelota escaparía de la gravedad de la Tierra para nunca regresar.

Esta es la situación en la que nos encontramos cuando observamos el universo. Vemos una gran cantidad de estrellas, galaxias, etc., pero no pueden simplemente estar suspendidas porque esa no es una configuración estable, deben estar moviéndose. Y cuando medimos las velocidades de las galaxias, encontramos que todas se están alejando de nosotros, por lo que el universo es como una pelota que sube.

Conociendo las posiciones y velocidades actuales de todas las galaxias, podemos extrapolar hacia atrás en el tiempo, y cuando lo hacemos, encontramos que a medida que retrocedemos en el tiempo, las velocidades aumentan cada vez más hasta que hace 13.700 millones de años se vuelven infinitas. Ese es, por supuesto, el momento del Big Bang.

La analogía con la pelota lanzada es bastante parecida. En el instante del Big Bang, todas las galaxias comenzaron con velocidades muy altas, al igual que la pelota lanzada comenzó con una velocidad alta, y durante los primeros miles de millones de años, la gravedad mutua de todas esas galaxias las desaceleraba, al igual que la pelota se ralentiza a medida que se mueve hacia arriba. Si la energía oscura no existiera, las velocidades de las galaxias continuarían disminuyendo. Creemos que el universo es plano, lo cual es análogo a que la pelota tenga una velocidad de escape exacta, por lo que las velocidades de las galaxias tenderían asintóticamente a cero en un tiempo infinito.

Pero ...

El problema es que sabemos por qué la pelota salió con mucha velocidad porque alguien la tiró. Pero no sabemos por qué todas las galaxias comenzaron con altas velocidades porque nuestras teorías no retroceden lo suficiente en el tiempo para describir el Big Bang. Esperamos que alguna futura teoría de la gravedad cuántica explique por qué el universo comenzó como lo hizo hace 13.700 millones de años.

Ya existe un fenómeno similar si consideramos solo la Tierra y algún cohete, ambos solos en el universo: lanzamos el cohete desde la superficie de la Tierra encendiendo su motor solo por un corto tiempo, como de costumbre, para darle una velocidad inicial. , y luego lo dejamos enteramente a la gravedad de la Tierra. Hay un umbral de velocidad tal que si esta velocidad inicial es mayor que eso, el cohete nunca volverá a caer sobre la Tierra: seguirá moviéndose más y más lejos. Se moverá cada vez más lento debido a la atracción gravitacional de la Tierra, seguro, pero eso no será suficiente para detener el cohete y hacerlo retroceder. Esta velocidad umbral es lo que se llama velocidad de escape por una razón obvia, espero.

La situación es cualitativamente similar para el universo sin energía oscura: el big bang impartió suficiente "velocidad" inicial al propio espacio-tiempo como para que la gravedad no pueda detener la expansión. La expansión irá cada vez más lenta, como el cohete, pero nunca se detendrá. Para el universo, el umbral no se da en términos de una velocidad inicial como hice con el cohete. En cambio, se da en términos de un umbral para la masa del universo. Puedes entender eso con mi cohete imaginando que variamos la masa de la Tierra, lo que a su vez variaría la atracción gravitatoria sobre el cohete. Hay un umbral de masa terrestre tal que por encima de él la atracción gravitacional será lo suficientemente fuerte como para detener el cohete en un tiempo finito y hacerlo caer de nuevo sobre la Tierra. Idea similar para todo el universo, solo cualitativamente, por supuesto,