¿Por qué el universo no colapsó en un agujero negro poco después del Big Bang?

Una densidad de energía lo suficientemente alta es una condición necesaria pero no suficiente para que se formen agujeros negros: se necesita tener un centro que finalmente se convierta en el centro de los agujeros negros; uno necesita que la materia que colapsa en el agujero negro tenga una velocidad lo suficientemente baja para que la gravedad pueda exprimirla antes de que la materia logre volar y diluir la densidad.

Las dos últimas condiciones suelen satisfacerse de manera casi trivial para trozos ordinarios de materia que se asientan pacíficamente en algún lugar del Universo; pero son violados casi al máximo por la densidad de la materia justo después del Big Bang. Esta materia no tiene centro, es casi uniforme en todo el espacio, y tiene una velocidad lo suficientemente alta (alejándose de sí misma) que la densidad finalmente se diluye. Y, de hecho, sabemos que se diluyó.

En otras palabras, el colapso de la materia (por ejemplo, una estrella) en un agujero negro es un cálculo idealizado que hace ciertas suposiciones sobre el estado inicial de la materia. Estas suposiciones claramente no se satisfacen con la materia después del Big Bang. En lugar del colapso de una estrella, debe usar otra versión simplificada de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, a saber, las ecuaciones de Friedmann para la cosmología. Obtendrá la métrica FRW como solución. Cuando es uniforme para empezar, prácticamente se mantendrá uniforme.

El Universo visible es, en cierto sentido, análogo a un agujero negro. Existe un horizonte cósmico y no podemos ver detrás de él. Sin embargo, es más correcto imaginar que el interior del espacio visible, que se parece cada vez más al espacio de De Sitter porque la constante cosmológica domina cada vez más la densidad de energía, debe verse como una analogía con el exterior de un agujero negro. Y es el exterior del espacio visible de De Sitter el que juega el papel del interior de un agujero negro.

La relación entre (es decir, la proporción de) la masa y el radio del Universo visible no está muy lejos de la relación entre (o la proporción de) la masa y el radio del agujero negro del mismo tamaño. Sin embargo, no es exacto, y no se supone que sea exacto. La relación masa/radio solo es universal para agujeros negros estáticos (y neutros) localizados en un espacio plano externo y nuestro Universo claramente no es uno de ellos.

No creo que la pregunta "¿cómo se ve el universo desde el exterior?" es muy significativo. Solo porque no hay afuera para el universo. En cuanto al agujero negro, ¿por qué la alta densidad, es decir, mucha masa en poco volumen, debería causar la creación de un agujero negro? Si está pensando en la solución de Schwarzschild (y el radio), describe un objeto esférico fuera del cual el espacio está vacío y, como dije, no hay afuera para el universo.

Lo primero que hay que entender es que el Big Bang no fue una explosión que ocurrió en un lugar en un espacio vacío preexistente. El Big Bang ocurrió en todas partes a la vez, por lo que no hay un lugar que sería el lugar donde esperaríamos que se formara la singularidad de un agujero negro. Los modelos cosmológicos son exactamente o aproximadamente homogéneos. En una cosmología homogénea, la simetría garantiza que las fuerzas de marea desaparezcan en todas partes y que cualquier observador en reposo en relación con el movimiento promedio de la materia medirá un campo gravitatorio cero. Basado en estas consideraciones, en realidad es un poco sorprendente que el universo alguna vez haya desarrollado alguna estructura. El único tipo de colapso que puede ocurrir en un modelo puramente homogéneo es el colapso de todo el universo en un "Big Crunch".

Un agujero negro se define como una región del espacio de la que los rayos de luz no pueden escapar al infinito. "Hasta el infinito" se puede definir de una manera matemática formal, [HE] pero esta definición requiere la suposición de que el espacio-tiempo es asintóticamente plano. Para ver por qué se requiere esto, imagine un agujero negro en un universo espacialmente cerrado. Tal cosmología es espacialmente finita, por lo que no hay una manera sensata de definir lo que significa escapar "al infinito". En casos de interés astrofísico real, como Cygnus X-1 y Sagittarius A*, el agujero negro está rodeado por una región bastante grande de espacio interestelar bastante vacío, por lo que aunque nuestro universo no es asintóticamente plano, todavía podemos usar un porción de un espacio-tiempo infinito y asintóticamente plano como una descripción aproximada de esa región. Pero si uno quiere preguntarse si todo el universo es un agujero negro, o podría haberse convertido en un agujero negro, entonces no hay forma de hablar siquiera aproximadamente sobre la planitud asintótica, por lo que la definición estándar de un agujero negro ni siquiera da una idea. respuesta sí-no. Es como preguntar si la belleza es ciudadana estadounidense; la belleza no es una persona y no nació, por lo que no podemos decidir si la belleza nació en los EE. UU.

Los agujeros negros se pueden clasificar, y sabemos, en base a algo llamado teorema sin cabello, que todos los agujeros negros estáticos caen dentro de una familia de soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein llamadas agujeros negros de Kerr-Newman. (Los agujeros negros no estáticos se asientan rápidamente para convertirse en agujeros negros estáticos). Los agujeros negros de Kerr-Newman tienen una singularidad en el centro, están rodeados por un vacío y tienen fuerzas de marea distintas de cero en todas partes. La singularidad es un punto en el que las líneas del mundo solo se extienden una cantidad finita de tiempo hacia el futuro. En nuestro universo, observamos que el espacio no es un vacío, y las fuerzas de marea son casi cero en escalas de distancia cosmológica (porque el universo es homogéneo en estas escalas). Aunque los modelos cosmológicos tienen una singularidad del Big Bang en ellos, no es una singularidad en la que las líneas del mundo futuro terminen en un tiempo finito, es

Una discusión más detallada y técnica se da en [Gibbs].

[HE] Hawking y Ellis, La estructura a gran escala del espacio-tiempo, p. 315.

[Gibbs] ¿Es el Big Bang un agujero negro?

Esta es una entrada de preguntas frecuentes escrita por los siguientes miembros de physicsforums.com: bcrowell George Jones jim mcnamara marcus PAllen tiny-tim vela

El modelo ΛCDM estándar del Big Bang ajusta las observaciones a las soluciones de Friedmann-Robertson-Walker de la relatividad general, que no forman agujeros negros. Intuitivamente, la expansión inicial es lo suficientemente grande como para contrarrestar la tendencia habitual de la materia a colapsar gravitacionalmente. Hasta donde sabemos, el universo se ve casi igual desde todos los puntos a gran escala. Es una suposición incorporada de las soluciones de la familia FRW y, a veces, se denomina "principio copernicano".

Por supuesto, no tiene por qué ser absolutamente correcto, aunque en cierto sentido es el modelo empíricamente adecuado más simple posible y, por lo tanto, es el favorito de la navaja de Ockham. Ha habido intentos de ajustar las observaciones astronómicas a una solución isotrópica y no homogénea de GTR (lo que significa que estaríamos cerca del "centro"), pero que yo sepa, no han sido concluyentes.

Hay un modelo demasiado simplificado de colapso estelar esférico que supone que la estrella tiene una densidad uniforme y sin presión, cuyo interior resulta ser equivalente al k = +1 (curvatura positiva, cerrada) del universo FRW en contracción. El interior está parchado suavemente con un exterior de Schwarzschild. Los casos k = 0 (plano) y k = -1 (abierto) pueden considerarse como el interior de una estrella de este tipo en el límite de un radio infinito, colapsando desde el reposo y con una velocidad finita, respectivamente. También se pueden unir sin problemas a un exterior de Schwarzschild.

Nuestro universo observado se está expandiendo, pero aún podemos decir que es posible que la región isotrópica y homogénea que observamos tenga un borde , o tal vez incluso sea el interior de un agujero negro invertido en el tiempo. Pero se debe enfatizar que no tenemos ninguna razón empírica para creer que es algo más exótico que un universo FRW simple. Aunque en alternativas más serias, algunos modelos de inflación cósmica tienen nuestro universo observado como una de muchas "burbujas" en un fondo inflado.

En muchos sentidos, el universo primitivo era muy similar en estructura a un agujero negro, si uno toma en serio la imagen de la singularidad. E incluso entonces, todavía existen modelos libres de singularidad de agujeros negros, por lo que tal vez el universo primitivo tampoco requiera uno.

De todos modos, esto no es importante, lo importante es que las matemáticas apoyan firmemente un universo primitivo con una estructura similar a un agujero negro y en la época posterior, donde el universo se enfrió lo suficiente y se hizo lo suficientemente grande, parece preservar la equivalencia débil. principio. (si quieres más información sobre esto te lo explicaré).

Es posible que estas analogías se tomen lo suficientemente en serio como para especular que vivimos en una estructura similar a un agujero negro. Ciertamente hay muchos argumentos que intentan apoyarlo. Por ejemplo, el radio de un agujero negro se encuentra directamente proporcional a su masa$R \propto m$. La densidad de un agujero negro está dada por su masa dividida por su volumen$\rho = \frac{m}{V}$y como el volumen es proporcional al radio del agujero negro elevado a tres$V \propto R^3$entonces la densidad de un agujero negro es inversamente proporcional a su radio de masa por la segunda potencia$\rho \propto m^2$)

¿Qué significa todo esto? Significa que si un agujero negro tiene una masa lo suficientemente grande, entonces no parece ser muy denso, que es más o menos la descripción de nuestro propio vacío: tiene mucha materia, alrededor$3 \times 10^{80}$partículas dan o toman un poder de decenas de átomos en el espacio-tiempo solo, el factor de$3$para tener en cuenta cuántas dimensiones de espacio-tiempo hay, esto ciertamente no es una cantidad infinita de materia, pero podría decirse que es mucho todavía, nuestro universo no parece muy denso en absoluto.

Las primeras propiedades de rotación que resultan en centrífuga y torsión (la última aquí para evitar la formación de singularidades) como correcciones a la cosmología (si nuestro universo no es una analogía de un agujero negro) podrían explicar cómo un universo puede liberarse de una época densa de Planck (según Arun y Sivaram). Incluso hoy en día existen muchos conceptos erróneos sobre la rotación primordial.

En lugar de profundizar mucho en las ecuaciones que estudié, daré un resumen de lo que aprendí de ellas:

Hoyle y Narlikar demostraron que la rotación decae exponencialmente con la expansión lineal de un universo (esto resuelve muy bien por qué no podemos detectar el "eje del mal" de radiación de fondo que se espera que sea como una huella dactilar de rotación en las temperaturas de fondo).

El flujo oscuro, un flujo inusual que parece mostrar que las galaxias se desplazan en una dirección particular a una velocidad muy lenta, podría ser la existencia de un espín residual que ha quedado.

La rotación explica la expansión cósmica como una fuerza centrífuga. Arun y Sivaram hicieron un cálculo a partir de un modelo en expansión.

Debido a que se sugiere que la rotación disminuya la velocidad, parecería entonces que no está de acuerdo con por qué el universo ahora se está acelerando. Puede haber dos formas de salir de este problema. La luz que detectamos de las galaxias más alejadas tiende a decirnos algo sobre el pasado, no algo sobre el momento presente en esa región del espacio-tiempo. Lo que parece estar acelerando, tal vez la luz de un universo primitivo cuando estaba acelerando. Esto explicaría muy bien la recesión del Hubble en la que cuanto más lejos está la galaxia, más rápido parece retroceder. Una segunda opción proviene de estudios recientes, en los que se ha afirmado que los cosmólogos están bastante seguros de que el universo se está expandiendo, pero ya no están seguros de a qué velocidad.

Si la producción de partículas ocurrió mientras el universo se expandía debido a la aceleración centrífuga, entonces no hay necesidad de inflación para explicar por qué la materia parece estar distribuida uniformemente (como lo notó Hoyle). De hecho, la inflación no responde de nada, según Penrose porque requiere una puesta a punto. Aunque este fragmento es bastante especulativo, me he preguntado si el espín ha "tomado" la mayor parte de la energía del vacío en un intento de explicar la discrepancia cuántica, denominada "la peor predicción" jamás realizada.

El hecho de que el universo pueda tener una propiedad de rotación explicaría por qué hay un exceso de materia sobre la antimateria porque el universo poseería una propiedad particular (quiralidad) - también hay un exceso masivo de una propiedad de rotación particular observada en una gran colección de galaxias con probabilidades que oscilan entre 1 y un millón por casualidad.

Pero lo más importante de todo (y relacionado con la declaración anterior), sugiere que, de hecho, hay un marco preferido en el universo siempre que gire. Esto implicará una teoría violatoria de Lorentz pero que satisface el grupo completo de simetrías de Poincaré. Según Sean Carrol, la violación de las teorías de Lorentz implicará una aceleración absoluta.

Algunas personas podrían decir que "la energía oscura es la responsable", y habría habido un momento en que no estaría de acuerdo con esto, ya que la energía oscura solo se vuelve significativa cuando un universo se vuelve lo suficientemente grande; sus efectos son evidentes porque creemos que el universo está acelerando ahora.

Pero me di cuenta hace un tiempo, que este no es el caso si el ímpetu de un universo era constante, pero lo suficientemente fuerte como para liberarse de los campos densos. La diferencia aquí es que los científicos tienden a pensar en esta situación como una en la que la constante cosmológica no es realmente una constante, pero ahora tiendo a pensar que es una constante y que el efecto dinámico real que da lugar a la aceleración es un debilitamiento de la gravedad a medida que crece.

La pregunta del OP puede haberse relacionado con el "colapso directo" de la materia en un agujero negro, que se ha verificado astronómicamente en una ocasión reciente (en 2008), como se discutió en Astronomy Stack Exchange en 2018. Sin embargo, por las razones que pondré adelante aquí, también puede relacionarse con el colapso estelar, que es mucho más común.

En más de 90 ocasiones, se ha encontrado evidencia clara del "colapso estelar" de la materia en los agujeros negros: debido a que todas las estrellas conocidas giran y la mayoría de las estrellas son parejas en pares binarios, la mayor parte de esa evidencia consiste en una pareja que sigue la trayectoria elíptica. La órbita que ambos habían compartido antes del colapso del otro socio, bajo su propio peso, después de que la conversión de la mayor parte de su combustible nuclear en radiación lo dejó sin la presión de radiación interna adecuada para evitar tal colapso.

Los efectos de cada uno de estos colapsos siguen siendo tan permanentes como cualquier cosa que podamos detectar: ​​las teorías de descomposición de partículas que han sido respaldadas por el colaborador frecuente de Stephen Hawking, el físico matemático Sir Roger Penrose, predicen que cualquier partícula dentro de los agujeros negros será la última en desintegrarse dentro. cualquier localidad donde se puedan observar partículas. Aunque Hawking ha planteado la hipótesis de una débil radiación hacia el exterior de los agujeros negros, según tales teorías, no se espera que su observación ocurra mientras haya vida que se haya originado en la Tierra, o incluso cualquier descendiente cibernético de ella que pueda estar compuesto de partículas subatómicas como nosotros. Conócelos, sigue siendo viable. Excepto en un sentido puramente idealista (y, en consecuencia, imaginario), la duración de los BH puede, en consecuencia, considerarse infinita.

Las partículas virtuales y sus compañeros de antipartículas están necesariamente separados entre sí (al menos por la longitud de onda Compton, durante al menos el tiempo Compton) por el horizonte de eventos de cualquier agujero negro, durante la propagación extremadamente rápida de ese horizonte hacia afuera desde el centro del volumen que había sido ocupado por la estrella colapsada. Los fermiones entre esas partículas separadas en el lado interior de ese horizonte se materializan, en una inversión de los procesos que pueden convertir intensas concentraciones de materia pesada en energía nuclear.

Como todos los fermiones, los recién materializados giran, y la interacción de su giro con el de los propios fermiones de la estrella (mucho más grandes) invierte y acelera sus trayectorias hacia el exterior, formando así un universo local (con la forma aproximada de la piel gruesa de una pelota de baloncesto). ), en un fenómeno que puede describirse como una expansión del espacio dentro de la región que se ha separado causalmente de la LU más grande que había sido su "padre".

Después de una expansión inflacionaria (exponencial asintótica), la LU más nueva continúa expandiéndose cuasi-inercialmente. Como en las otras cosmologías inflacionarias, la expansión espacial del universo local continúa en un futuro infinito.

(Los lectores que encuentren esta descripción demasiado mecanicista para algo tan etéreo como la expansión espacial podrían considerar el artículo de Rebhan de 2012 en https://arxiv.org/pdf/1211.1006.pdf , cuyas conclusiones señalan el hecho de que las descripciones de dicha expansión son fundamentalmente idénticos a los que describen una explosión, y su consideración como la última es más apropiada para observadores externos como nosotros, dado el hecho de que la separación causal entre nosotros y el LU "criador" se combinaría con la expansión continua de ese padre para hacer observaciones astronómicas de él imposible.)

El proceso descrito anteriormente se describe de manera más formal en "Cosmología con torsión" de Nikodem J. Poplawski, el primero de muchos artículos que ha escrito sobre su modelo cosmológico pasado y futuro eterno entre 2010 y 2020: están disponibles de forma gratuita en el sitio Arxiv , y también se encuentran en artículos publicados por Elsevier y otras editoriales de material científico de gran reputación. Su cosmología se basa en la Teoría de Einstein-Cartan, que se elaboró ​​a través de conversaciones entre Einstein y el matemático Cartan, 14 años después de la publicación de la Relatividad General de Einstein. Aunque la "Cosmología con torsión" de Poplawski de 2010 esboza su modelo como una "alternativa" a la inflación cósmica, ahora se considera más generalmente como una versión de la inflación.

Con su expansión continua inercialmente, los universos locales del multiverso de Poplawski, evolucionando en escalas de espacio-tiempo secuencialmente más pequeñas, eventualmente podrían contener sus propios agujeros negros, aunque, debido a las limitaciones locales en el tiempo y la energía disponible para su uso en la ampliación, sus habitantes podrían ser capaz de observar cualquiera de los agujeros negros de cualquier otra secuencia (incluso a través del proceso indirecto que describí anteriormente) solo si se trata de uno que está en una escala que corresponde aproximadamente a la escala de su propio entorno astronómico: con expansión diferente del movimiento relativo y, en consecuencia, no sujeto a la velocidad de la luz (que podría variar entre tales regiones causalmente separadas), la única excepción podría ser su propia LU,cuya superficie espacial más externa verían simplemente como aquellas partes del cielo nocturno que no están ocupadas por estrellas.

En consecuencia, la cosmología relativista de Poplawski proporciona la explicación más sencilla de la paradoja de Olbers, respondiendo a la pregunta de por qué el cielo no es una letal capa de fuego en todas partes.

Tiene otras dos ventajas: Primero, como lo detalla el filósofo de Rutgers Paul Linford en los dos últimos párrafos de la Sección 4.2 en su borrador en https://arxiv.org/pdf/2006.07748.pdf , el límite asimétrico en el tiempo y las condiciones entrópicas de los agujeros negros "descendientes" permiten claramente la eternidad pasada a menudo favorecida en las teorías "naturalistas" de la realidad. En segundo lugar, las aplicaciones de su cosmología, incluso por parte de civilizaciones no mucho más avanzadas que la nuestra, podrían proporcionar adiciones "artificiales" a la realidad en escalas de tamaño sin precedentes: la adición de una masa tan pequeña como "una manzana" a una estrella a punto de colapsar en una estrella de neutrones podría permitir su colapso en un agujero negro, comenzando una secuencia de universos locales en el modelo de Poplawski, como se describe recientemente enhttps://www.scientificamerican.com/article/mystery-object-blurs-line- between-neutron-stars-and-black-holes/s .

Sí, es denso, pero en ese "tiempo", el espacio y el tiempo, está indefinido, por lo que las dos afirmaciones no tendrían sentido. Además, el campo de inflación tiene mucho más poder que la atracción gravitacional, por lo que el universo estalla en solo una fracción de segundo.

Breve historia del Big Bang y antes

Antes del Big Bang, existía este campo llamado campo de inflación. Que consiste en partículas repulsivas, llamadas inflatones. Teóricamente, se considera que el campo de inflación es la razón de la creación de un nuevo universo. Cada vez que el vacío del campo se excita, estalla, formando un nuevo universo.

Y el campo permanecería en silencio para recuperar su energía para el nacimiento del próximo universo.

Y el campo de inflación podría explicar la repulsiva energía oscura . (aún no lo sabemos)

Cómo obtener un pico en nuestro universo

Según nuestro mejor entendimiento, la única forma posible, independientemente de ser más pequeña que la escala del tablón (que nunca será posible), es la teoría de cuerdas.

La teoría de cuerdas dice que todas las materias están hechas de cuerdas, y las cuerdas están hechas de dimensiones adicionales (10D o 11D). Las picaduras viven en un mundo de diez dimensiones. ¡¡Es de las seis dimensiones extra que componen todos los asuntos!! . Los físicos calcularon de cuántas formas pueden entrelazarse las dimensiones adicionales para formar una nueva cadena, y el resultado que encontraron fue impresionante: uno seguido de 500 ceros. ¡Todos ellos potencialmente capaces de dar lugar a un universo!

Salir al exterior

Para ver todo nuestro universo, primero debemos encogernos. Del tamaño de alrededor de un billón de billones de billones de veces más pequeño que un cabello humano real. Ahora, necesitas deslizarte en una de las cuerdas, en las dimensiones adicionales, para poder ver todo tu universo desde arriba . Allí verás todo el universo frente a ti, junto con otros universos paralelos, llamados Branes . Este universo viene con diferentes tamaños, diferentes dimensiones.

Y así es como puedes ver todo el universo desde "arriba". En teoría, funciona, pero en la vida real, no es del todo práctico.