El Huge Bang a menudo se describe como el nacimiento explosivo del universo, un momento singular en que el espacio, el tiempo y la materia surgen en la existencia. Pero, ¿y si este no fuera el comienzo? ¿Qué pasaría si nuestro universo surgiera de otra cosa, algo más acquainted y radical al mismo tiempo?
En un nuevo artículo, Publicado en Bodily Evaluation D (Preprint completo aquí), mis colegas y yo proponemos una alternativa sorprendente. Nuestros cálculos sugieren que el Huge Bang no fue el comienzo de todo, sino el resultado de un crujido o colapso gravitacional que formó un agujero negro muy masivo, seguido por un rebote dentro de él.
Esta concept, que llamamos el universo Black Gap, ofrece una visión radicalmente diferente de los orígenes cósmicos, sin embargo, se basa completamente en física y observaciones conocidas.
De hoy modelo cosmológico estándarbasado en el Huge Bang y la inflación cósmica (la concept de que el universo temprano explotó rápidamente en tamaño), ha tenido un éxito notablemente exitoso en explicar la estructura y la evolución del universo. Pero tiene un precio: deja algunas de las preguntas más fundamentales sin respuesta.
Por un lado, el modelo Huge Bang comienza con una singularidad, un punto de densidad infinita donde se rompen las leyes de la física. Esto no es solo una falla técnica; Es un problema teórico profundo que sugiere que realmente no entendemos el comienzo en absoluto.
Para explicar la estructura a gran escala del universo, los físicos introdujeron una breve fase de rápida expansión en el universo temprano llamado inflación cósmicaalimentado por un campo desconocido con propiedades extrañas. Más tarde, para explicar la expansión acelerada observada hoy, agregaron otro componente “misterioso”: energía oscura.
En resumen, el modelo estándar de cosmología funciona bien, pero solo Al introducir nuevos ingredientes Nunca hemos observado directamente. Mientras tanto, las preguntas más básicas permanecen abiertas: ¿De dónde vino todo?? ¿Por qué comenzó de esta manera? ¿Y por qué el universo es tan plano, suave y grande?
Nuevo modelo
Nuestro nuevo modelo aborda estas preguntas desde un ángulo diferente, mirando hacia adentro en lugar de hacia afuera. En lugar de comenzar con un universo en expansión y tratar de rastrear cómo comenzó, consideramos lo que sucede cuando una colección demasiado densa de materia colapsa bajo gravedad.
Este es un proceso acquainted: las estrellas se colapsan en agujeros negros, que se encuentran entre los objetos mejor entendidos en la física. Pero lo que sucede dentro de un agujero negro, más allá del horizonte del evento del que nada puede escapar, sigue siendo un misterio.
En 1965, el físico británico Roger Penrose demostró que en condiciones muy generales, El colapso gravitacional debe conducir a una singularidad. Este resultado, extendido por el fallecido físico británico Stephen Hawking y otrossustenta la concept de que las singularidades, como la de Huge Bang, son inevitables.
La concept ayudó a ganar Penrose una parte del Premio Nobel de Física 2020 e inspiró a la ventana international de Hawking Una breve historia del tiempo: desde el Huge Bang hasta los agujeros negros. Pero hay una advertencia. Estos “teoremas de singularidad” se basan en “física clásica” que describe objetos macroscópicos ordinarios. Si incluimos los efectos de la mecánica cuántica, que gobierna los pequeños microcosmos de los átomos y las partículas, como debemos en las densidades extremas, la historia puede cambiar.
En Nuestro nuevo artículomostramos que el colapso gravitacional no tiene que terminar en una singularidad. Encontramos una solución analítica exacta, un resultado matemático sin aproximaciones. Nuestras matemáticas muestran que a medida que abordamos la singularidad potencial, el tamaño del universo cambia como una función (hiperbólica) del tiempo cósmico.
Esta easy solución matemática describe cómo una nube de materia colapsante puede alcanzar un estado de alta densidad y luego rebotar, rebotando hacia afuera en una nueva fase de expansión.
Pero, ¿por qué los teoremas de Penrose prohíben tales resultados? Todo se debe a una regla llamada principio de exclusión cuánticaque establece que no hay dos partículas idénticas conocidas como fermiones pueden ocupar el mismo estado cuántico (como el momento angular o el “giro”).
Y mostramos que esta regla evita que las partículas en la materia colapsante sean exprimidas indefinidamente. Como resultado, el colapso se detiene y se invierte. El rebote no solo es posible, es inevitable en las condiciones correctas.
De manera essential, este rebote ocurre completamente dentro del marco de la relatividad normal, que se aplica en grandes escalas, como estrellas y galaxias, combinadas con los principios básicos de la mecánica cuántica, no se requieren campos exóticos, dimensiones adicionales o física especulativa.
Lo que emerge al otro lado del rebote es un universo notablemente como el nuestro. Aún más sorprendente, el rebote produce naturalmente las dos fases separadas de expansión acelerada, inflación y energía oscura, impulsadas no por campos hipotéticos sino por la física del rebote en sí.
Predicciones comprobables
Una de las fortalezas de este modelo es que hace predicciones comprobables. Predice una cantidad pequeña pero no cero de curvatura espacial positiva, lo que significa el universo no es exactamente planopero ligeramente curvado, como la superficie de la tierra.
Esto es simplemente una reliquia de la pequeña densidad inicial que desencadenó el colapso. Si observaciones futuras, como la en curso Misión euclidconfirmar una pequeña curvatura positiva, sería una pista fuerte que nuestro universo realmente surgió de tal rebote. También hace predicciones sobre la tasa de expansión del universo precise, algo que ya ha sido verificado.
El cohete SpaceX Falcon 9 que transporta la misión Euclides de la ESA en la plataforma de lanzamiento en 2023. Crédito de la imagen: ESA, CC BY-SA
Este modelo hace más que arreglar Problemas técnicos con cosmología estándar. También podría arrojar una nueva luz sobre otros misterios profundos en nuestra comprensión del universo temprano, como el origen de los agujeros negros supermasivos, la naturaleza de la materia oscura o la formación jerárquica y la evolución de las galaxias.
Estas preguntas serán exploradas por futuras misiones espaciales como Arkihsque estudiará características difusas como halos estelares (una estructura esférica de estrellas y grupos globulares que rodean las galaxias) y las galaxias satelitales (galaxias más pequeñas que orbitan las más grandes) que son difíciles de detectar con los telescopios tradicionales de la Tierra y nos ayudarán a comprender la evolución de la materia oscura y la galaxia.
Estos fenómenos también pueden estar vinculados a objetos compactos de reliquias, como los agujeros negros, que se formaron durante la fase de colapso y sobrevivieron al rebote.
El universo Black Gap también ofrece una nueva perspectiva sobre nuestro lugar en el cosmos. En este marco, todo nuestro universo observable se encuentra dentro del inside de un agujero negro formado en un universo “padre” más grande.
No somos especiales, no más que la tierra estaba en la cosmovisión geocéntrica que llevó a Galileo (el astrónomo que sugirió que la tierra gira alrededor del sol en los siglos XVI y XVII) para ser colocado bajo arresto domiciliario.
No estamos presenciando el nacimiento de todo de la nada, sino más bien la continuación de un ciclo cósmico, uno formado por la gravedad, la mecánica cuántica y las profundas interconexiones entre ellos.
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