Fraser "Pregunta a un astronauta" Dr. Paul Matt Sutter: ¿por qué llamamos al Big Bang una singularidad, cuando también llamamos singularidades a los agujeros negros?
El universo está lleno de coincidencias. O la forma de la Nebulosa Pac Man o la Nebulosa Mago. O como la trama de Force Awakens y cualquier otra película de Star Wars, las coincidencias están en todas partes.
Pero aquí hay una coincidencia bastante extraña, y tiene que ver con la naturaleza del Universo mismo. Sigue conmigo aquí.
Consideremos los agujeros negros, un tema que hemos cubierto muchas veces en este canal. Si ha visto suficientes videos nuestros, sabe que un agujero negro es una región del espacio donde la materia y la energía se han mezclado tan densamente que la velocidad de escape gravitacional excede la velocidad de la luz.
No sabemos qué tan grandes son los agujeros negros, pero es posible que se hayan aplastado en una región infinitamente densa, conocida como singularidad.
Singularidad, singularidad ... ¿dónde hemos escuchado esa palabra antes? Además de Ray Kurzweil y su equipo de singulares tecnológicos.
Esa palabra surge cuando discutimos la formación del Universo; el Big Bang. De vuelta al principio, hace 13.800 millones de años, todo en todo el Universo fue aplastado en una región de densidad infinita. Y luego, en una fracción de segundo, todo se expandió hacia afuera.
Los astrónomos llaman a esta región de densidad infinita la singularidad del Big Bang.
Esto no puede ser solo una coincidencia, ¿verdad? Es la misma palabra. ¡Es la MISMA PALABRA!
¿Fue la singularidad del Big Bang una singularidad realmente grande del agujero negro? ¿Un agujero negro con toda la masa del Universo dentro?
Voy a admitir que esta pregunta está un poco más allá de mi sueldo. Para explicar completamente la ciencia, pensé que traería un timbre. El Dr. Paul Matt Sutter es astrofísico de la Universidad Estatal de Ohio y del Observatorio Astronómico de Trieste.
Paul se especializa en vacíos cósmicos, también sabe mucho sobre el Big Bang y los agujeros negros. Llegué a Paul en el set de su podcast Ask a Spaceman, y le lancé este zinger directamente.
Hola Paul, ¿cuál es la diferencia entre la singularidad que formó el Big Bang y la singularidad de un agujero negro?
1. ¿Todo el Universo comenzó desde un agujero negro realmente masivo?
Paul: Gracias Fraser. Entonces, cuando observamos singularidades, es importante tener en cuenta qué es una singularidad. Una singularidad es un lugar de densidad infinita, y eso no es realmente una cosa. Simplemente significa que las matemáticas que estamos usando para describir la cosa se han desmoronado. Como si recibiéramos infinitos en nuestras respuestas cuando tratamos de calcular lo que está sucediendo. Hasta donde sabemos, este tipo de cosas, estas fallas en las matemáticas, ocurren en dos lugares. Uno está en el centro de un agujero negro, donde las cosas se comprimen tanto que ya no podemos seguir las matemáticas, y la otra vez es en el universo muy temprano, cuando todo el universo se reduce a un volumen tan pequeño. a densidades tan altas que ya no podemos seguir las matemáticas. Eso es lo único que tienen en común: que existe una singularidad, lo que significa que ya no podemos hacer los cálculos.
Paul: Y aunque son iguales, son muy, muy diferentes. Una singularidad de agujero negro es un punto en el espacio-tiempo, como si vivieras en el universo y puedes señalar, hay una singularidad como allí, o allá o allá. Es una parte del universo que está incrustada en el universo más grande, mientras que la singularidad del Big Bang es todo el universo. Es una cosa diferente donde todo el universo se compacta a densidades tan increíblemente altas que nuestras matemáticas ya no pueden seguirlo.
2. ¿Por qué el universo primitivo no volvió a colapsar en un agujero negro?
Paul: Oh, esa es una muy buena pregunta, Fraser. Estás pensando en estas densidades increíblemente altas en el universo primitivo, y es natural preguntarse por qué no se comportó como un agujero negro y se contrajo en un punto infinitamente denso, ¿por qué molestarse en expandirse? Y es importante recordar aquí cuán diferentes son los agujeros negros del universo primitivo. En ambos casos, estamos utilizando la relatividad general, estas son las leyes de la gravedad, que rigen las leyes de estos sistemas. Pero estamos usando el mismo conjunto de ecuaciones en diferentes escenarios. Los estamos usando para describir cosas diferentes. Un agujero negro es una solución particular para las ecuaciones de relatividad general de Einstein, y esa solución surge de la pregunta "Si tomo un montón de cosas allí y lo compacto a densidades increíblemente altas, ¿qué sucede?" La respuesta es que obtienes una singularidad rodeada por un horizonte de eventos. Ese es un conjunto particular de soluciones para las matemáticas de ese escenario.
Paul: Pero en el universo primitivo, tenemos una solución diferente: tenemos algo diferente. Es un universo diferente. La solución del agujero negro es estática: está arreglada, no cambia con el tiempo. Eso es una suposición en las matemáticas. Pero en el universo temprano, las cosas están cambiando. Es un conjunto diferente de preguntas que intentamos responder cuando aplicamos la relatividad general al universo primitivo: "Si lleno todo el universo de manera uniforme con un montón de cosas, ¿qué hace todo el universo?" Esa es una pregunta diferente a la pregunta que estamos haciendo sobre los agujeros negros, por lo que obtenemos una respuesta diferente. Entonces, a pesar de que tenemos esa densidad increíblemente alta, la solución matemática que lo describe, porque estamos describiendo la evolución temporal del universo, obtenemos respuestas diferentes de las que obtenemos para los bits del agujero negro. Y cuando se trata del universo primitivo: cuando lo llena de manera uniforme con un montón de cosas y pregunta qué diablos le sucede al universo, solo hay dos respuestas. O las cosas en el universo hacen que las cosas colapsen y se contraigan, o las cosas en el universo hacen que el universo se expanda. Y depende de qué está hecho el universo, y resulta, lo suficientemente útil, que el universo está hecho del tipo de cosas que lo hacen expandirse. Es el componente de evolución del tiempo aquí lo que es importante, lo que marca la diferencia entre lo que sucede en el universo primitivo y lo que sucede en un agujero negro.
3. ¿Se podrían haber formado agujeros negros en el Universo Temprano porque tiene densidades tan altas?
Paul: Oh sí, muy inteligente, Fraser. Veo a dónde vas con eso. Con densidades increíblemente altas, te estás preguntando si tal vez una pequeña parte del universo se pellizcó e hizo un agujero negro. Quizás en esos primeros microsegundos. ¿Y por qué no podría ese agujero negro haberse expandido para consumir el resto del universo? Y la clave aquí no se trata de la densidad, sino de las diferencias de densidad. Lo que separa un agujero negro de mí es que es mucho más denso que yo, o al menos eso espero. Eso es lo que lo convierte en un agujero negro. Es mucho más denso que su entorno. Pero para hacer esa forma de agujero negro, tenía que tener un poco de cosas adicionales como en un bolsillo, como una nube de gas adicional o una estrella, un poco más de densidad de lo normal. Entonces la gravedad puede funcionar, y comenzar a tirar de más cosas, y más cosas, y más, construyendo y construyendo hasta obtener el colapso gravitacional que conduce a un agujero negro.
Paul: Pero en el universo primitivo, todo era uniforme. No hubo diferencias en la gravedad. Sí, era increíblemente alta densidad, pero si pudieras transportarte allí y sobrevivir, no sentirías ningún tirón gravitacional en ninguna parte porque cada dirección tiene la misma densidad. Estás rodeado de la misma cantidad de cosas en todas las direcciones, no hay gravedad. Todo se cancela entre sí. Por lo tanto, no hay oportunidad para que se forme un agujero negro porque un punto en el universo no es más denso que cualquier otro, por lo que toda la gravedad se cancela y no obtienes nada. Sin agujero negro: no entran en escena hasta mucho, mucho más tarde en la evolución del universo, y para ese momento, el universo es tan grande que los agujeros negros no pueden afectar la evolución general.
4. En este momento el universo se está expandiendo, ¿algún día colapsará?
Paul: Sí, muchos astrofísicos y cosmólogos se preocupan por esto hace décadas, pensamos que sí, tal vez el universo se está expandiendo ahora, pero tal vez hay un poco demasiado, tal vez esa expansión se ralentizará, se detendrá y luego al revés, y luego terminaríamos en este enorme escenario de gran crisis, lo opuesto al Big Bang.
Paul: Pero resulta que la energía oscura está aquí, y la energía oscura acelera la expansión del universo, por lo que no solo el universo se hace más y más grande cada día, sino que se vuelve más y más rápido cada día. Y eso, bueno, eso apesta.
Eso suena bastante abierto y cerrado, pero hay más en este viaje. Si tomas la masa y la energía de todo el Universo y lo conviertes en un agujero negro, tendría casi la misma densidad que el Universo mismo, y un horizonte de eventos más grande que el Universo observable.
Entonces, ¿eso significa que, de hecho, estamos viviendo dentro de un agujero negro? ¿Podemos decir la diferencia?
Podcast (audio): Descarga (Duración: 5:13 - 4.8MB)
Suscríbase: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): Descarga (Duración: 5:35 - 66.3MB)
Suscribirse: Apple Podcasts | Android | RSS
