El Big Bang: ¿El principio o el resultado de un colapso gravitatario?
El **Big Bang** suele describirse como el explosivo nacimiento del universo: un momento singular en el que el espacio, el tiempo y la materia surgieron de la nada. Sin embargo, ¿y si esto no fue realmente el comienzo? ¿Y si nuestro universo emergió de algo más, algo familiar pero al mismo tiempo radical?
En un nuevo artículo, publicado en Physical Review D, mis colegas y yo proponemos una alternativa sorprendente. Nuestras cálculos sugieren que el Big Bang no fue el inicio de todo, sino el resultado de un **colapso gravitatario** que formó un **agujero negro** muy masivo, seguido de un **rebote** en su interior.
Esta idea, que denominamos **universo de agujero negro**, ofrece una visión completamente diferente de los orígenes cósmicos, pero está totalmente fundamentada en **física y observaciones conocidas**.
El modelo cosmológico estándar de hoy, basado en el Big Bang y la **inflación cósmica** (la idea de que el universo temprano se expandió rápidamente en tamaño), ha sido notablemente exitoso para explicar la estructura y evolución del universo. Sin embargo, tiene un precio: deja algunas de las preguntas más fundamentales sin respuesta.
Recibe tus noticias de expertos directamente en tu correo. Suscríbete a nuestro boletín diario para recibir toda la cobertura más reciente sobre noticias e investigaciones en The Conversation UK, desde política y economía hasta artes y ciencias.
Por un lado, el modelo del Big Bang comienza con una **singularidad**: un punto de densidad infinita donde las leyes de la física se rompen. Este problema no es solo técnico; es un profundo dilema teórico que sugiere que realmente no entendemos el inicio en absoluto.
Para explicar la gran estructura del universo, los físicos introdujeron una fase breve de rápida expansión en el universo temprano llamada inflación cósmica, impulsada por un campo desconocido con propiedades extrañas. Más tarde, para explicar la **expansión acelerada** observada hoy, añadieron otro componente “misterioso”: la energía oscura.
En resumen, el modelo estándar de cosmología funciona bien, pero solo introduciendo nuevos ingredientes que 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: en lugar de empezar con un universo en expansión y tratar de rastrear cómo comenzó, consideramos lo que sucede cuando una colección de materia excesivamente densa colapsa bajo la gravedad.
Este es un proceso familiar: las estrellas colapsan en agujeros negros, que son algunos de los objetos más comprendidos en física. Pero lo que sucede dentro de un agujero negro, más allá del **horizonte de eventos** del que nada puede escapar, sigue siendo un misterio.
En 1965, el físico británico **Roger Penrose** demostró que, bajo condiciones muy generales, el colapso gravitatario debe llevar a una singularidad. Este resultado, ampliado por el fallecido físico británico Stephen Hawking y otros, respalda la idea de que las singularidades, como la del Big Bang, son inevitables.
Este concepto ayudó a que Penrose ganara parte del **Premio Nobel de Física** en 2020 e inspiró el bestseller global de Hawking Una breve historia del tiempo. Sin embargo, hay una advertencia. Estos “teoremas de singularidad” se basan en la “**física clásica**”, que describe objetos ordinarios. Si incluimos los efectos de la **mecánica cuántica**, la cual rige el diminuto microcosmos de átomos y partículas, como debemos hacerlo a densidades extremas, la historia puede cambiar.
En nuestro nuevo artículo, demostramos que el colapso gravitatario no tiene que terminar en una singularidad. Encontramos una solución analítica exacta, un resultado matemático sin aproximaciones. Nuestras matemáticas muestran que, a medida que nos acercamos a la singularidad potencial, el tamaño del universo cambia como una función (hiperbólica) del tiempo cósmico.
Esta simple solución matemática describe cómo una nube de materia en colapso puede alcanzar un estado de alta densidad y luego rebotar, reexpandiéndose hacia una nueva fase de expansión.
¿Pero cómo es que los teoremas de Penrose prohíben tales resultados? Todo se reduce a una regla llamada **principio de exclusión cuántica**, que establece que no dos partículas idénticas conocidas como **fermiones** pueden ocupar el mismo estado cuántico. Y mostramos que esta regla evita que las partículas en la materia en colapso se compriman indefinidamente. Como resultado, el colapso se detiene y revierte. El rebote no solo es posible, sino que es inevitable bajo las condiciones adecuadas.
Crucialmente, este rebote ocurre completamente dentro del marco de la relatividad general, que se aplica a escalas grandes como estrellas y galaxias, combinada con los principios básicos de la mecánica cuántica, sin necesidad de campos exóticos, dimensiones adicionales o física especulativa.
Lo que emerge al otro lado del rebote es un universo notablemente parecido al nuestro. Aún más sorprendente, el rebote produce naturalmente las dos fases separadas de **expansión acelerada**: la inflación y la energía oscura, impulsadas no por campos hipotéticos sino por la física del propio rebote.
Predicciones testables
Una de las fortalezas de este modelo es que hace **predicciones testables**. Predice una pequeña pero no cero cantidad de curvatura espacial positiva, lo que significa que el universo no es exactamente plano, sino ligeramente curvado, como la superficie de la Tierra.
Esto es simplemente un vestigio de la pequeña sobre-densidad inicial que desencadenó el colapso. Si observaciones futuras, como la misión en curso de **Euclid**, confirman una pequeña curvatura positiva, sería un fuerte indicio de que nuestro universo realmente emergió de tal rebote. También hace predicciones sobre la tasa de expansión del universo actual, algo que ya ha sido verificado.
Este modelo no solo soluciona problemas técnicos con la cosmología estándar, sino que también podría arrojar una nueva luz sobre otros profundos misterios en nuestra comprensión del universo temprano, como el origen de los agujeros negros supermasivos, la naturaleza de la materia oscura, o la formación y evolución jerárquica de las galaxias.
Estas preguntas serán exploradas por futuras misiones espaciales, como **Arrakhis**, que estudiarán características difusas como los **halos estelares** (una estructura esférica de estrellas y cúmulos globulares que rodean galaxias) y las **galaxias satélite** (galaxias más pequeñas que orbitan galaxias más grandes) que son difíciles de detectar con telescopios tradicionales desde la Tierra y ayudarán a comprender la materia oscura y la evolución de galaxias.
Estos fenómenos también podrían estar vinculados a objetos compactos relictos, como agujeros negros, que se formaron durante la fase de colapso y sobrevivieron al rebote.
El universo de agujero negro también ofrece una nueva perspectiva sobre nuestro lugar en el cosmos. En este marco, nuestro universo observable entero se encuentra dentro del interior de un agujero negro formado en algún “universo padre” más grande. No somos especiales, no más que la Tierra lo era en la visión geocéntrica que llevó a Galileo, el astrónomo que sugirió que la Tierra gira alrededor del Sol, a ser puesto bajo arresto domiciliario.
No estamos presenciando el nacimiento de todo desde la nada, sino más bien la continuación de un ciclo cósmico: uno moldeado por la gravedad, la mecánica cuántica y las profundas interconexiones entre ellos.
Tecnología
About the Author
